Tijd gebaseerde terrestrische 3D laserscanners: onderzoek naar de
positienauwkeurigheid van black-and-white targets en naar de invloed
van de reflectiviteit, afstand en invalshoek op de geregistreerde
afstand
Lisa Loux, Niels Van der Elst
Promotor: prof. dr. ing. Greet Deruyter
Copromotor: prof. dr. ir. Alain De Wulf
Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de
industriële wetenschappen: landmeten
Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur
Academiejaar 2013-2014
1
2
Tijd gebaseerde terrestrische 3D laserscanners: onderzoek naar de
positienauwkeurigheid van black-and-white targets en naar de invloed
van de reflectiviteit, afstand en invalshoek op de geregistreerde
afstand
Lisa Loux, Niels Van der Elst
Promotoren: prof. dr. ing. Greet Deruyter, prof. dr. ir. Alain De Wulf
Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de
industriële wetenschappen: landmeten
Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur
Academiejaar 2013-2014
3
VOORWOORD
Als studenten Master of Science in de industriële wetenschappen landmeten aan de Universiteit Gent
kregen we de opdracht een masterproef te schrijven ter afsluiting van onze opleiding. We kozen voor
het
onderwerp:
“tijd
gebaseerde
terrestrische
3D-laserscanners:
onderzoek
naar
de
positienauwkeurigheid van black-and-white targets en naar de invloed van de reflectiviteit, afstand en
invalshoek op de geregistreerde afstand”. Prof. dr. ing. G. Deruyter en prof. dr. ir. A. De Wulf werden
respectievelijk aangeduid als promotor en copromotor voor de begeleiding van het onderzoek.
Graag willen wij de Universiteit Gent bedanken voor het bieden van de kans, de ruimte en de middelen
om dit onderzoek uit te voeren. Wij zien dit als een ideale voorbereiding om onze professionele
loopbaan te starten. We trachten met dit onderzoek aan te tonen in staat te zijn tot zelfstandig
wetenschappelijk denken en handelen.
In het bijzonder willen wij een dankwoord richten aan prof. dr. ing. G. Deruyter voor het vakkundig
begeleiden en het geduldige antwoorden op de talloze vragen.
Tenslotte richten we graag een dankwoord aan dhr. W. Bossuyt van de firma BOSS Paints voor de
nuttige informatie en aan mevr. I. Driesen voor het nazicht van ons schriftelijk verslag.
4
ABSTRACT
Het toepassingsgebied van terrestrische 3D-laserscanners breidt zich voortdurend uit. Het gebruik
ervan wordt steeds belangrijker binnen de landmeetkunde omwille van de grote hoeveelheid
informatie die eenvoudig, snel en met hoge precisie en nauwkeurigheid wordt geregistreerd. De
technische specificaties van het toestel geven een aanwijzing van de te verwachten nauwkeurigheden
en precisie, maar de toestellen kunnen hierin onderling sterk verschillen. Bovendien worden de
resultaten sterk beïnvloed door verschillende invloedsfactoren.
Het onderzoek beperkt zich tot het testen van de tijdsgebaseerde terrestrische 3D-laserscanner Leica
Scanstation C10.
Het doel van dit onderzoek is de invloed van parameters zoals afstand, invalshoek van de laserstraal
en reflectiviteit van het object vast te stellen met als oogmerk het bepalen van de ideale
scangeometrie en de beperkingen van de specificaties na te gaan. De invloed van de reflectiviteit van
een object op de intensiteit van het teruggekaatste signaal werd summier bestudeerd. Aangezien het
modelleren van oppervlakken een tijdrovend proces is, werd gebruik gemaakt van een ‘quick-anddirty’-methode.
Ook de precisie van black-and-white-targets wordt opgegeven door de fabrikant. Een indicatie van de
afstand en/of invalshoek waaronder deze scans dienen te gebeuren werden echter niet voorzien in de
fiche. Om in de praktijk voldoende kwalitatieve scanresultaten te bekomen, stijgt de vraag naar een
richtlijn met beperkingen en/of mogelijkheden in scangeometrie.
De testopstelling bestond uit een bord waarop verschillende vlakken met verschillende graden van
reflectiviteit bevestigd werden. Het bord werd gescand vanop verschillende afstanden en onder
variërende invalshoeken. Met de toestelhoogte werd tijdens de metingen geen rekening gehouden.
Wegens de gelimiteerde praktische omstandigheden werd een beperkt aantal opstellingen
uitgevoerd:
-
5m: 0°, 30°, 45° en 60°
-
25m: 0°, 30°, 45°, 60°
-
50m: 0°
-
75m: 0°, 30°, 45°, 60°
Het onderzoek naar de precisie op de positie van de black-and-white targets wees uit dat aan de
technische specificaties van het toestel voldaan werd bij scans tot 25m. Nauwkeurige targetscans
5
worden bijgevolg tot deze afstand gegarandeerd. Vanaf 50m nam de onzekerheid toe en werd de
gespecificeerde precisie overschreden. De invalshoek bleek bij korte afstanden weinig invloed te
hebben op de precisie, maar bij grotere invalshoeken werd een grotere spreiding vastgesteld. Vanop
grote afstand werden bij elke invalshoek waarden geregistreerd die de opgelegde specificaties
overschreden. Een herziening van de technische fiche werd aangeraden voor afstand van 50m.
De gegevens over de intensiteitswaarden gaven aan dat de intensiteit steeg naarmate de
albedowaarde toenam. Bovendien gold dat de intensiteit afnam in functie van de afstand. De
maximale scanafstand is groter bij hoog reflectieve materialen. Laag reflectieve materialen kaatsten
een te lage intensiteit terug vanop een afstand van 75m en verder om een voldoende representatief
aantal punten te registreren. Laag reflectieve oppervlakken worden bijgevolg best niet gescand vanop
afstanden van 75m en groter. Vervolgens bleek dat naarmate de invalshoek toenam, de intensiteit
afnam. Een invalshoek volgens de richting van de normaal wordt als ideale scanpositie beschouwd in
functie van de intensiteit. Tenslotte werd vastgesteld dat het verval in functie van de afstand en de
hoek het grootst is bij de meest reflectieve materialen.
Vervolgens werd de invloed van de afstand op de geregistreerde afstandsmeting onderzocht. De hoog
reflectieve oppervlakken zijn het nauwkeurigst voor de afstandsbepaling. De gemiddelde
nauwkeurigheid voldeed op elke afstand aan de technische specificaties ongeacht de invalshoek
waaronder gemeten werd. Scans uitgevoerd vanop 75m en verder garanderen de gespecifieerde
nauwkeurigheid niet. De invloed van de afstand op de precisie van de afstandsmeting vertoonde geen
duidelijke trend.
De invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid van de afstandsmeting toonde aan dat de meest
nauwkeurige resultaten bekomen werden bij hoge albedowaarden. De gemiddelde nauwkeurigheid
voldeed voor de hoogste albedowaarden bij elke invalshoek aan de gespecificeerde nauwkeurigheid.
Bij lage albedowaarden traden bij elke invalshoek gemiddelde nauwkeurigheden op die niet voldeden
aan de technische specificaties. Bovendien maakten lage reflectiewaarden het onmogelijk om bij
schuine invalshoeken op grote afstand betrouwbare vaststellingen te doen door het beperkt aantal
geregistreerde punten. De kwaliteit van de meting ligt dus hoger wanneer de reflectiviteit toeneemt.
De toenemende invalshoek bleek een positieve invloed op de nauwkeurigheden te hebben.
Qua precisie bleken de hoogste albedowaarden het minste beïnvloed te worden door de invalshoeken.
Bij lagere albedowaarden waren de verschillen tussen de invalshoeken groter, vooral naarmate de
afstand groter werd.
6
Donkere, laag reflectieve vlakken moeten steeds met de nodige zorg gescand worden. Overtallige
metingen of de donkerste vlakken bedekken met een lichte verf kunnen betere meetresultaten
opleveren. In de praktijk zal dit echter moeilijk te verwezenlijken zijn.
Op basis van al de gemaakte vaststellingen omtrent de afstandsnauwkeurigheid werd geconcludeerd
dat de gespecificeerde nauwkeurigheid voor een gemoduleerd vlak met het Leica Scanstation C10 een
uitbreiding vereist voor de geregistreerde nauwkeurigheden bij lage albedowaarden en bij afstanden
vanaf 75m. Ook de onderzochte specificaties van de targetscans hebben uitbreiding nodig. Om tot
correcte conclusies te komen is verder onderzoek nodig. Dit onderzoek dient te bepalen wat de
maximale afstanden en invalshoek zijn waaronder elke reflectie te sterke gemiddelde afwijkingen
Kernwoorden: terrestrische laser scanning, reflectie, nauwkeurigheid, precisie, intensiteit
Terrestrial laser scanning (TLS) is being used more frequently for a variety of applications. The
advantage of a 3D-laserscanner, in comparison to traditional surveying methods, is the amount of
information that is acquired in a short period of time. The distance to an object surface can be
measured with an accuracy in the order of millimetres, which is specified by the technical
specifications. Practice shows that these technical specifications are hard to interpret and that each
scanner shows dissimilarities. Furthermore, the quality of a scan point is influenced by many factors
during the scan process.
The aim of this research project is to evaluate the influence of surface reflectivity, distance and
incidence angle on the distance measurement of the Leica Scanstation C10, a pulse based laser
scanner. The investigations were carried out at the University of Ghent.
The main purpose of the research is to determine the ideal scan position and to evaluate the
limitations of the technical specifications of the manufacturer.
Because data processing is a time-consuming process, the modelling of the surfaces were done using
a ‘quick-and-dirty’-method.
The precision of black-and-white-targets are also provided by the manufacturer. However, an
indication of the influence of distance or incidence angle was not given. A guideline for an ideal scan
position could be useful.
The test setup includes a board where plane surfaces of different reflectivity were secured. The board
was scanned from different distances and under varying incidence angles.
7
The results show that the precision of black-and-white-targets meet the technical specifications up to
a distance of 25m. From a distance of 50m the uncertainty increased and there were measurements
recorded that exceeded the technical specifications. The incidence angle appeared to have little
influence on the precision. However, with larger incidence angles the spread of the results increased.
A revision of the technical specifications is recommended for distances of 50m and further.
The intensity rose with increasing reflectivity and diminished with distance. The maximum range is
higher with highly reflective materials. The darker card could not be scanned from a distance of 75m,
because of the low intensity that was reflected whereby no sufficient and representative amount of
points was registered. With increasing incidence angles, the intensity decreased. An incidence angle
of 0° is considered to be ideal in function of intensity. At last, the decay was strongest for highly
reflective surfaces.
A second part of the study examined the influence of distance. The surface with high albedo delivered
the best accuracies for the distance measurement. The average accuracy met the technical
specifications irrespectively to the incidence angle. Scans that were performed from a distance of 75m
do not guarantee the specified accuracy.
Thirdly, the influence of incidence angle was investigated. Also in this case, the highly reflective surface
delivered the best accuracy. With the low reflective surfaces there were results that didn’t met the
specifications for every incidence angle. These reflectivities were impossible to deliver reliable results
under oblique incidence angles on a very large distance. The scan quality increased with higher
reflectivity.
Every part of the research showed that extension of the technical specifications in necessary. The
accuracy of the modelled surface and the precision of target acquisition should have guidelines for
low reflective surfaces and distances of 75m and further.
Keywords: terrestrial laser scanning, reflection, accuracy, precision, intensity
8
INHOUDSOPGAVE
1
Inleiding........................................................................................................................................... 1
2
Literatuurstudie .............................................................................................................................. 2
2.1
Inleiding................................................................................................................................... 2
2.2
Het Elektromagnetische spectrum ......................................................................................... 2
2.3
Terrestrische laserscanning: indelingen ................................................................................. 3
Statische en dynamische laser scanning ......................................................................... 4
Indeling volgens het bereik ............................................................................................. 4
Indeling volgens meettechniek ....................................................................................... 4
2.4
Eigenschappen van laserscanners........................................................................................... 8
Meetbereik...................................................................................................................... 8
Resolutie ......................................................................................................................... 9
Spotgrootte ................................................................................................................... 10
Scandichtheid ................................................................................................................ 11
Field of view .................................................................................................................. 11
Meetsnelheid ................................................................................................................ 12
Intensiteit ...................................................................................................................... 12
Nauwkeurigheid van de 3D-metingen .......................................................................... 13
Targets en targetnauwkeurigheid ................................................................................. 14
2.5
Laser ...................................................................................................................................... 15
2.6
Foutenbronnen: algemeen ................................................................................................... 15
Instrumentale fouten .................................................................................................... 16
Objectafhankelijke fouten............................................................................................. 19
Omgevingsfactoren ....................................................................................................... 21
Methodologische fouten............................................................................................... 22
Fouten ten gevolge van de scangeometrie ................................................................... 22
9
2.7
Reflectie en reflectie-eigenschappen ................................................................................... 23
Albedo ........................................................................................................................... 24
Soorten reflectie ........................................................................................................... 26
LIDAR ............................................................................................................................. 27
Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) ............................................... 27
Light Reflectance Value ................................................................................................. 27
2.8
Reeds uitgevoerde onderzoeken .......................................................................................... 28
3
Probleemstelling ........................................................................................................................... 46
4
Doelstelling en afbakening............................................................................................................ 47
5
Onderzoeksmethode .................................................................................................................... 48
5.1
Leica scanstation C10 ............................................................................................................ 48
5.2
Methode ............................................................................................................................... 48
5.3
Verwerking van de scans....................................................................................................... 53
Positienauwkeurigheid van de targetscans .................................................................. 53
Invloed van de reflectiviteit, afstand en invalshoek op de geregistreerde afstand ..... 54
Intensiteit ...................................................................................................................... 57
6
Onderzoeksresultaten................................................................................................................... 59
6.1
Onderzoek naar de precisie van black-and-white-targets .................................................... 59
Invloed van de afstand .................................................................................................. 60
Invloed van de invalshoek ............................................................................................. 63
6.2
Onderzoek naar de intensiteit .............................................................................................. 64
Invloed van de afstand .................................................................................................. 65
Invloed van de invalshoek ............................................................................................. 67
Invloed van de reflectiviteit .......................................................................................... 70
6.3
Aantal geregistreerde punten ............................................................................................... 73
6.4
Invloed van de reflectiviteit, afstand en invalshoek op de geregistreerde afstand ............. 74
Invloed van de afstand .................................................................................................. 75
10
Invloed van de invalshoek ............................................................................................. 85
Invloed van de reflectiviteit .......................................................................................... 94
7
Besluit.......................................................................................................................................... 108
8
Discussie ...................................................................................................................................... 110
9
Bijlagen........................................................................................................................................ 111
10
Bronnenlijst ............................................................................................................................. 112
10.1
Elektronische artikels .......................................................................................................... 112
10.2
Technische fiches ................................................................................................................ 114
11
Figurenlijst............................................................................................................................... 116
12
Tabellen................................................................................................................................... 122
13
Wetenschappelijk artikel ........................................................................................................ 126
11
1 INLEIDING
Terrestrisch 3D-laserscannen vormt één van de voornaamste methodes om snel driedimensionale
informatie van een object te verzamelen. Binnen de landmeetkunde valt het gebruik niet meer weg
te denken dankzij de vele voordelen van de techniek.
Ten gevolge van een grote verscheidenheid aan scanners en het ontbreken van uniforme technische
specificaties van de toestellen is het voor de gebruiker ingewikkeld om het geschikte toestel te kiezen
en de behaalde nauwkeurigheid te beoordelen. De technische specificaties van het toestel geven
slechts een indicatie van de prestaties van een scanner en zijn tussen verschillende toestellen
onderling moeilijk vergelijkbaar. Verder bestaan verscheidene factoren die een invloed uitoefenen op
de nauwkeurigheid van de metingen. Om de invloed van deze factoren en de kwaliteit van de
geleverde scanresultaten te ramen, moeten onderzoeken gebeuren voor elk type scanner afzonderlijk.
Voor het Leica Scanstation C10, een puls gebaseerde scanner, die werd aangekocht door de
universiteit van Gent gebeurde reeds in het verleden onderzoeken. In deze studie werd nagegaan wat
de invloed van de reflectiviteit, de afstand en de invalshoek is op de afstandsmeting van het Leica
Scanstation C10. Verder werd de precisie van de black-and-white targets en de intensiteit onderzocht.
Daarvoor werd gestart met een literatuurstudie waarin het principe en de belangrijkste kenmerken
van terrestrisch 3D-laserscannen verklaard werden. De foutenbronnen, reflectie en reflectieeigenschappen werden hier uitgebreid toegelicht. Vervolgens werden reeds uitgevoerde onderzoeken
beschreven. Deze werden bestudeerd om een optimale proefopstelling te realiseren en om de
onderzoeksresultaten te toetsen aan eerdere vaststellingen.
Tenslotte werd de aanpak van het praktisch onderzoek toegelicht en werd de invloed van de
verschillende parameters voorgesteld, geanalyseerd en besproken. De behaalde nauwkeurigheden en
precisies in elke omstandigheid en de bruikbaarheid van de scanner werden aan de hand daarvan
beoordeeld. De resultaten werden vergeleken met de specificaties uit de technische fiche van de
fabrikant en er werd nagegaan of ze correct en voldoende uitgebreid zijn.
Alle technische specificaties die in de teksten gegeven worden van de terrestrisch laserscanners zijn
afkomstig uit de technische fiches geleverd door de fabrikanten. In de tekst werd niet verwezen naar
de afzonderlijke fiches, maar er werd een bronvermelding gemaakt in de bronnenlijst die achteraan
terug te vinden is in dit onderzoek.
1
2 LITERATUURSTUDIE
2.1
Inleiding
3D-Laserscannen is een meetmethode om digitale informatie te verzamelen over een object of
oppervlak. De laserscanner gebruikt een laserstraal om de schuine afstanden, horizontale en verticale
richtingen tussen de scanner en het object op te meten. Met deze gegevens wordt een grote
hoeveelheid aan 3D-coördinaten van een object, met andere woorden een puntenwolk, geregistreerd.
Hieruit zijn verschillende types output mogelijk waaronder ortho-afbeeldingen, tweedimensionale
tekeningen, driedimensionale modellen, doorsneden, enzovoort. (Vlaams Leonardo Da Vinci
Agentschap v.z.w, 2008)
De techniek van het laserscannen is niet meer weg te denken uit de veelvuldige landmeetkundige
toepassingen en kan samen met GNSS (‘Global Navigation Satellite System’) en totaalstationmetingen
beschouwd worden als één van de voornaamste methoden voor 3D-data acquisitie. De techniek wordt
toegepast in verschillende sectoren zoals ingenieursprojecten, architectuur, archeologie en erfgoed,
civiele techniek, chemische industrie, etc. en dit dankzij zijn duidelijke voordelen. Laserscannen is
immers een contactloze meettechniek waarbij snel, nauwkeurig en met een zeer hoge graad van detail
de gevraagde objecten geregistreerd worden. (Vlaams Leonardo Da Vincvi Agentschap v.z.w., 2008)
2.2
Het Elektromagnetische
Elektromagnetische spectrum
Elektromagnetische golven worden gevormd door elektrische en magnetische golfverschijnselen. De
magnetische en elektrische componenten staan hierbij loodrecht op elkaar. Een elektromagnetische
golf beschikt steeds over een bepaalde hoeveelheid energie. De voortplantingssnelheid c van de
elektromagnetische golven in het luchtledige komt overeen met de experimenteel bepaalde waarde
van de lichtsnelheid. De waarde die hiervoor gevonden werd is 299.792.458 m/s of ongeveer
3,0.108m/s.
Op basis van de golflengte of frequentie worden elektromagnetische golven of elektromagnetische
straling ingedeeld in zeven frequentiebanden: radiogolven, microgolven, infrarode stralen, zichtbaar
licht,
ultraviolette
stralen,
röntgenstralen
en
gammastralen.
Samen
vormen
zij
het
elektromagnetische spectrum. De golflengte is het grootst voor radiogolven en het kleinst voor
gammastralen. Dit wordt schematisch voorgesteld in Figuur 1. (Van Alboom & Vanhaelst, 2012/2013)
2
Het verband tussen de golflengte en de frequentie wordt gegeven door de vergelijking:
=
-
f: de frequentie voor van de golf
-
λ: de golflengte
-
c: de voortplantingssnelheid van licht
Figuur 1: Het elektromagnetische spectrum (Nieuwenhuizen, 2008)
2.3
Terrestrische laserscanning:
laserscanning: indelingen
Terrestrische laserscanners worden ingedeeld volgens verschillende criteria. Op basis van het al dan
niet bewegen van de scanner tijdens het scanproces wordt het onderscheid gemaakt tussen de
statische en dynamische laserscanning. Andere indelingen bestaan op basis van de gebruikte
meettechniek, namelijk triangulatiescanners, puls- en fasescanners, elk gekenmerkt door hun typisch
meetbereik, positienauwkeurigheid en snelheid. (Fröhlich & Mettenleiter, 2012)
Deze masterproef beperkt zich tot het bepalen van de eigenschappen van een statisch opgestelde
pulsscanner, meer bepaald het Leica Scanstation C10, in vooraf gedefinieerde omstandigheden. In wat
volgt zal daarom slechts beperkt ingegaan worden op de eigenschappen van de andere types.
3
Statische en dynamische laser scanning
De voordelen van statische laserscanning zijn de hoge precisie en de hoge graad van detail. Bij
dynamische laserscanning wordt de scanner gemonteerd op een mobiel platform waardoor
bijkomende positioneringssystemen vereist zijn in de vorm van INS (‘Inertial navigation system’) en
GNSS (‘Global navigation satellite system’). Hierdoor is dynamische laserscanning complexer en
duurder dan statische scanning. Daartegenover staat wel een tijdwinst ten opzichte van het statisch
scannen. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w, 2008)
Indeling volgens het bereik
Er wordt een onderscheid gemaakt tussen een close range laserscanner, een medium range
laserscanner en een long range laserscanner.
De close range laserscanner wordt gebruikt voor afstanden van een halve centimeter tot twee meter
en vindt zijn toepassingsgebied in onder andere ‘head- en bodyscanning’ voor het maken van
protheses en ‘reverse engineering’.
Medium range laserscanners, waaronder het Leica Scanstation C10, worden gebruikt voor
landmeetkundige toepassingen. Hun bereik varieert van 1 tot 300 meter.
De long range laserscanners hebben een bereik van enkele meters tot meer dan één kilometer. Deze
3D-scanners zijn echter minder nauwkeurig. Ze worden bijvoorbeeld gehanteerd bij het in kaart
brengen van landschappen en/of steden of in de mijnbouw. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap
v.z.w, 2008)
Indeling volgens meettechniek
2.3.3.1
Triangulatiescanners
De afstand wordt bepaald op basis van een hoekmeting. Er zijn twee uitvoeringen op de markt,
namelijk triangulatiescanners met één enkele CCD (‘charge coupled device’) camera en de uitvoering
met twee CCD camera’s.
De triangulatiescanners met één enkele camera (Figuur 2) zenden een laserstraal uit onder een
gedefinieerde hoek vanaf het ene uiteinde van een mechanische basis. Deze laserstraal valt in op het
object, wordt gereflecteerd en vervolgens gedetecteerd door de CCD camera op het andere uiteinde
van de mechanische basis. Aan de hand van de plaats waar het gereflecteerde licht wordt opgevangen
4
door de camera, wordt de richting van de gereflecteerde straal bepaald waaruit uiteindelijk ook de
driedimensionale positie van het voorwerp vastgelegd wordt. (Boehler & Marbs, 2002)
Figuur 2: Triangulatieprincipe met behulp van één CCD camera (Boehler & Marbs, 2002)
Een variatie van het triangulatieprincipe wordt uitgevoerd met twee CCD camera’s (Figuur 3), elk op
een uiteinde van de basislijn. De laserstraal wordt uitgestuurd door een afzonderlijk zendapparaat dat
geen enkele meetfunctie uitoefent. Het geometrische principe komt verder overeen met de uitvoering
met één enkele camera waardoor ze verder dezelfde nauwkeurigheidskarakteristieken vertonen.
(Boehler & Marbs, 2002)
Figuur 3: Triangulatieprincipe met behulp van twee CCD camera’s (Boehler & Marbs, 2002)
Het geprojecteerde laserlicht kan bestaan uit een (bewegende) laserstip, een laserlijn of –patroon. De
verschillende projectiewijzen zijn terug te vinden in Figuur 4.
Figuur 4: Verschillende projectietechnieken bij een triangulatielaserscanner (Janos, 2008)
5
Triangulatiescanners zijn zeer geschikt voor het scannen van kleine voorwerpen. Ze hebben een bereik
tot enkele meters en een nauwkeurigheid in de orde van een micrometer. (Vlaams Leonardo Da Vinci
Agentschap v.z.w, 2008)
2.3.3.2
Tijd gebaseerde metingen
Bij tijd gebaseerde scanners wordt de afstand bepaald aan de hand van de tijd tussen het uitzenden
en het ontvangen van een signaal. Hier kunnen twee verschillende technieken onderscheiden worden
namelijk de puls gebaseerde laserscanners en de fase gebaseerde laserscanners. (Vlaams Leonardo
Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
2.3.3.2.1
Puls gebaseerde scanners
De puls gebaseerde laserscanners zijn ook bekend onder de naam ‘time-of-flight’ scanners. Via een
uiterst nauwkeurig klokmechanisme wordt het tijdsverschil Dt gemeten tussen het uitzenden en het
ontvangen van de laserpuls. Hieruit wordt de afstand laserscanner-object afgeleid volgens de formule:
=
∗ ∆
2
-
c = 299 792 458 m/s : de snelheid van licht in vacuüm
-
n : de brekingsindex van de lucht
-
Dt : het tijdsverschil tussen zenden en ontvangen van de laserpuls
-
D : de afstand laserscanner-object
Naast de tijdsmeting wordt ook een verticale en horizontale richting van de uitgezonden puls
geregistreerd. Met deze gegevens kunnen de x-, y- en z-coördinaten bepaald worden. Het
meetprincipe wordt grafisch voorgesteld in Figuur 5. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w.,
2008)
Figuur 5: Principe van een ‘time-of-flight’-laserscanner (Janos, 2008)
6
2.3.3.2.2
Fase gebaseerde scanners
De fase gebaseerde laserscanners voeren tijdsafhankelijke metingen uit door de laserpuls te gebruiken
als drager van een amplitudegemoduleerd signaal. Het uitgezonden signaal reflecteert op het object
en wordt teruggekaatst. Hieruit kan het faseverschil tussen het uitgezonden en ontvangen signaal
bepaald worden, waaruit het tijdsverschil afgeleid wordt. Het tijdsverschil tussen zenden en
ontvangen, de modulatiefrequentie en het faseverschil worden als volgt met elkaar in verband
gebracht:
∆ =
∆
2. -
Dt : het tijdsverschil tussen zenden en ontvangen van de laserpuls
-
DΦ : het faseverschil
-
fgemoduleerd : de modulatiefrequentie
In analogie met de ‘time-of-flight’ scanners wordt voor de afstand laserscanner-object volgende
vergelijking opgesteld:
=
∗ ∆
. ∆Φ
=
4. . . 2
-
D : de afstand laserscanner-object
-
c = 299 792 458 m/s : de snelheid van licht in vacuüm
-
Dt : het tijdsverschil tussen zenden en ontvangen van de laserpuls
-
n : de brekingsindex van de lucht
-
DΦ : het faseverschil
-
fgemoduleerd : de modulatiefrequentie
Aangezien enkel het faseverschil vastgesteld wordt en dus niet het aantal volledig doorlopen
golflengten, worden gemoduleerde golven (Figuur 6) toegepast om het probleem van dubbelzinnig
bereik op te lossen. Hierbij wordt het voorwerp gelokaliseerd op een lage frequentie en dus een lange
golflengte. Met behulp van de hoge frequentie wordt een nauwkeurige meting uitgevoerd. Figuur 7
geeft een grafische voorstelling van de fase gebaseerde meetmethode. (Vlaams Leonardo Da Vinci
Agentschap v.z.w., 2008)
7
Figuur 6: Schematische voorstelling van twee gemoduleerde golflengten (Vienna University of Technology, z.d.)
De bijkomend geregistreerde horizontale en verticale richting leveren voldoende informatie om de
afstand en de 3D-coördinaten te bepalen.
Figuur 7: Principe van een fase gebaseerde scanners (Janos, 2008)
2.4
Eigenschappen van laserscanner
laserscanners
scanners
Meetbereik
Het meetbereik van de laserscanner is afhankelijk van het type scanner. In Tabel 1 kunnen de
verschillende methoden vergeleken worden op basis van meetbereik en nauwkeurigheid.
Tabel 1: Indeling van laserscanners (op basis van veel verkochte types)
Meetmethode
‘Time-of-flight’ methode
Fasemeting
Triangulatiescanners
Meetbereik [m]
<2500
<100
<1000
<5
Nauwkeurigheid [mm]
<10
<5
<10
<1
Voor de laserscanner Leica Scanstation C10, die werkt volgens het ‘time-of-flight’-principe, wordt het
meetbereik bepaald op 300m voor albedowaarden van 90%. Met afnemende albedowaarden daalt
8
eveneens het meetbereik. Zo is voor een albedowaarde van 18% een maximaal meetbereik haalbaar
van 134m. Ter vergelijking haalt de Leica HDS6000, een fasescanner, 79m voor albedowaarden van
90% en 50m voor albedowaarden van 18%. Deze specificaties kunnen afwijken in de praktijk.
Tabel 1 voldoet voor de courante 3D-laserscanners. Ten gevolge van de snelle ontwikkeling bestaan
er echter toestellen, voornamelijk pulsscanners, die een groter meetbereik beloven. Volgens de
technische specificaties wordt met de 3D-laserscanner Maptec I-Site 8810 een meetbereik van 2000m
gehaald, voor de Riegl VZ-6000 wordt dit 6000m. De nauwkeurigheid op deze afstanden ligt dan weer
lager. Een voorbeeld van een fasescanner met een groter bereik is dePentax met de S-3180. Deze 3Dlaserscanner haalt een maximaal meetbereik van 187,3m.
Specificaties omtrent het meetbereik moeten steeds met een kanttekening geïnterpreteerd worden.
De mogelijk haalbare ranges hangen sterk af van de reflectiviteit, ruwheid en kleur van het materiaal,
atmosferische omstandigheden en van bijkomende straling veroorzaakt door de zon of een andere
bron in de nabijheid van het object. (Boehler & Marbs, 2002; Fröhlich & Mettenleiter, 2012; Pesci &
Teza, 2008)
Resolutie
Resolutie
De term resolutie wordt gebruikt in verschillende contexten wanneer de prestaties van laserscanners
worden besproken. Verschillende leveranciers en gebruikers hanteren deze term op verschillende
manieren.
Een eerste gebruik van de term resolutie duikt op in verband met de dichtheid van de scan. Resolutie
slaat hier immers op de afstand tussen twee opeenvolgende punten. Hoe hoger de resolutie, hoe meer
punten opgemeten worden. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
Resolutie wordt verder gebruikt om de minimale grootte aan te geven die de scanner kan
onderscheiden bij een individuele afstandsmeting en/of hoekmeting. Er zijn twee scannerspecificaties
die bijdragen aan dit vermogen, namelijk de kleinst mogelijke toename van de hoek tussen de
opeenvolgende punten en de grootte van de laserspot op het object. (Boehler, Marbs, & M. Bordas,
2003)
Het is van belang dat resolutie en nauwkeurigheid niet verward worden. Een toename in resolutie
betekent niet per se een toename aan nauwkeurigheid, maar duidt op het feit dat er een toename is
in de meetbare en onderscheidbare zaken van het object (graad van detail). Vanuit het standpunt van
de gebruikers beschrijft resolutie het kleinste object dat waargenomen kan worden in de puntenwolk.
9
Spotgrootte
Een laserstraal divergeert in functie van de afstand (Figuur 8). Hierdoor heeft de laserstraal een
conische vorm met een grotere ‘footprint’ op verdere afstanden van de laserscanner. De spotgrootte
neemt lineair toe met de afstand. (Pesci & Teza, 2008)
In sommige uitvoeringen zal de laserstraal eerst convergeren waardoor op een bepaalde afstand van
de laserscanner een minimale spotgrootte bekomen wordt. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap
v.z.w., 2008)
Figuur 8: Divergentie van een laserstraal (Reshetyuk, 2008)
De bundeldivergentie wordt met volgende vergelijking weergegeven:
= 1
-
w : de straal van de laserspot
-
w0 : de minimale spotgrootte
-
ρw : de afstand tot de minimale spotgrootte
! "#
"
Divergentie wordt gespecificeerd in termen van de begindiameter vermeerderd met een lineaire
vergrotingsfactor, uitgedrukt in mradialen, of enkel als de vergrotingsfactor zelf (D. D. Lichti & Gordon,
2004). Zo wordt de spotgrootte voor de Leica HDS6000 uitgedrukt als 3mm bij het verlaten van de
scanner vermeerderd met een vergrotingsfactor van 0,22mrad.
Het Leica Scanstation C10 heeft een spotgrootte van 4,5mm op 50m. Voor de Riegl LMS-Z420i is dit
13mm op 50m en voor de Riegl LMS-Z210i is dit ongeveer 150mm op 50m.
Het gevolg van de divergentie van de laserstraal is een onzekerheid op de positie. De schijnbare locatie
van het punt ligt langs de centrale as van de uitgezonden straal, terwijl de eigenlijke locatie van het
punt niet voorspeld kan worden aangezien dit ergens in de uitgezonden footprint van de laser ligt. (D.
D. Lichti & Gordon, 2004)
10
Scandichtheid
Scandensiteit verwijst naar de afstand tussen naburige punten in een puntenwolk. Sommige scanners
zijn voorzien van onafhankelijke instelbare verticale en horizontale ‘point-to-point’ afstand. De
scandichtheid is één van de grootste variabele tijdens het uitvoeren van een scan. Soms worden de
termen scandichtheid en scanresolutie door elkaar gebruikt. Naast het verkleinen van de ‘point-topoint’ afstand kan de scandichtheid ook verhoogd worden door het uitvoeren van meerdere scans van
dezelfde locatie. (Jacobs, 2005)
Field of view
Het gezichtsveld, ook wel ‘field of view’ of ‘FOV’ genoemd, wordt gekenmerkt door zowel een
horizontaal als een verticaal bereik. De grootte ervan is verschillend van toestel tot toestel.
3D-scanners zonder gemotoriseerde rotatieassen hebben een gelimiteerd ‘field of view’. Een typisch
gebied dat deze scanners kunnen aftasten is 40° op 40°. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de Leica HDS
2500. Scanners met een enkele as kunnen een gebied scannen van bijvoorbeeld 45° op 320°. De Riegl
LMS-Z620 heeft bijvoorbeeld een bereik van 80° op de verticale as en 360° op de horizontale as.
Instrumenten met twee roterende assen, ook wel panoramische scanners, kunnen bijna overal
scannen. Het maximale ‘field of view’ voor het Leica Scanstation C10 is 360° op de horizontale as en
270° op de verticale as (Figuur 9). (Boehler & Marbs, 2002)
Figuur 9: Field of View van het Leica Scanstation C10 (Leica Geosystems AG, 2011)
Binnen de limieten van hun maximale ‘field of view’ kan bij 3D scanners de actuele ‘field of view’
ingesteld worden in zowel de horizontale als verticale richting.
11
Meetsnelheid
Het Leica Scanstation C10, een puls gebaseerde scanner, haalt een meetsnelheid van 50 000 punten
per seconde. De huidige generatie toestellen scannen, zowel in de puls gebaseerde als in de fase
gebaseerde scanners, tot 1 000 000 punten per seconde. Bijvoorbeeld het Leica P20 Scanstation, de
Leica HDS6200, de Leica HDS7000 en de Trimble TX5 beschikken over deze scansnelheid.
Intensiteit
In eerste instantie wordt terrestrische laser scanning (TLS) gebruikt om de coördinaten van opgemeten
punten te bepalen. Daarnaast kunnen ze het optisch vermogen ofwel de intensiteit van het
teruggekaatste signaal meten. De intensiteit van de verkregen data geeft een indicatie van de
reflectiviteit van het materiaal. (Kurazume, Nishino, Zhang, & Ikeuchi, 2002; Pesci & Teza, 2008)
Na een opmetingssessie met de terrestrische laser wordt een puntenwolk bekomen met volgende
gegevens:
$%& , (& , )& , *%& , (& , )& , + = 1,2, … , -
.
Hierin staan xk, yk en zk voor de coördinaten van het k-de punt. Naast deze gegevens wordt verder
informatie verworven over de intensiteit van het k-de punt. De intensiteit I wordt weergegeven door
een waarde evenredig met het uitgezonden vermogen ten opzichte van de ontvangen puls. N stelt het
aantal verworven punten in de puntenwolk voor. (Pesci & Teza, 2008)
De relatie tussen het vermogen van het uitgezonden signaal en dat van het teruggekaatste signaal
wordt uitgedrukt aan de hand van de ‘laser range equation’. Hiermee wordt een theoretische waarde
bekomen voor het teruggekaatste vermogen van de laserbundel. Deze waarde wordt bepaald in
functie van het uitgezonden vermogen, de reflectiviteit van het materiaal, de invalshoek, de afstand
en de invloed van het systeem en de atmosfeer.
P . 01. . cos5
89: . 8;<;
47 " −
Pr: vermogen van het ontvangen signaal
−
Pe: vermogen van het uitgezonden signaal
−
ρ: reflectiviteit van het materiaal van het op te meten object
−
α: invalshoek van het signaal op het oppervlak van het op te meten object
−
r: afstand tussen scanner en object
12
−
η: factor die de invloed op het signaal uitdrukt, respectievelijk veroorzaakt door de doorgang
in de atmosfeer en in het systeem
Deze vergelijking kan omgevormd worden naar volgende vorm om de intensiteit van het signaal te
berekenen. (Pfeifer, Dorninger, Haring, & Fan, 2007a)
= ρ. cos5
89: 8;<;
7²
Nauwkeurigheid van de 3D3D-metingen
De fabrikant van een 3D-laserscanner geeft steeds gedetailleerde technische informatie over de
scanner. Daarentegen is het vaak moeilijk om, uniform tussen de fabrikanten onderling, de kwaliteit
van de metingen of de nauwkeurigheid van de 3D-coördinaten te achterhalen. Verder zijn de
specificaties meestal gedefinieerd op basis van verschillende scancondities. (Fröhlich & Mettenleiter,
2012; Iavarone, 2002)
De nauwkeurigheid van de verworven punten hangt voornamelijk af van de geobserveerde afstand,
de invalshoek tussen laserstraal en oppervlakte en van de kwaliteit van de inwendige telemeter (Pesci
& Teza, 2008). Volgens Fröhlich en Mettenleiter (2012) hangt de nauwkeurigheid van de
afstandsmeting af van de intensiteit van het gereflecteerde laserlicht en daardoor rechtsreeks van de
graad van reflectiviteit van een oppervlak.
Metingen van een 3D-laserscanner worden echter niet beoordeeld op basis van één meting of punt.
De nauwkeurigheid van één enkel punt kan bijvoorbeeld te wensen overlaten maar dankzij de grote
hoeveelheid aan opgemeten punten in een scan wordt de uiteindelijke nauwkeurigheid van het
gemodelleerde object sterk opgedreven. (Fröhlich & Mettenleiter, 2012; Jacobs, 2005; Pesci & Teza,
2008)
Er moet op gelet worden dat een nauwkeurige meting en een precieze meting niet dezelfde betekenis
hebben. Nauwkeurigheid is de graad van overeenstemming tussen het gemiddelde van de metingen
en de werkelijke waarde van de grootheid. Hoe dichter ze bij elkaar liggen, hoe nauwkeuriger de
meting. Het geeft de beste indicatie van de datakwaliteit. Precisie is de mate van herhaaldelijkheid
voor een bepaalde meting en duidt op de spreiding van de gemeten waarden. Een meting is precies
wanneer bij een meting, uitgevoerd in vergelijkbare omstandigheden, hetzelfde resultaat bekomen
wordt. Een meting kan bijgevolg precies zijn en niet nauwkeurig of net heel nauwkeurig maar niet
precies. Dit effect wordt grafisch weergegeven in Figuur 10.
13
Figuur 10 (v.l.n.r. a, b, c, d): Verschil nauwkeurigheid en precisie (Sick, z.d.)
In Figuur 10a is de nauwkeurigheid klein maar de precisie groot. In Figuur 10b is de nauwkeurigheid
goed doordat alle meetwaarden in het groene vlak beland zijn maar de precisie is klein. Figuur 10c
toont een nauwkeurige en precieze meting, terwijl de meting in Figuur 10d noch nauwkeurig noch
precies is. (Sick, z.d.)
Targets en targetnauwkeurigheid
Een target is voor laserscanners het equivalent van een prisma of reflector voor een totaalstation. Er
is een wijd assortiment aan targettypes beschikbaar. Er kan een onderscheid gemaakt worden tussen
vlakke targets (Figuur 11) en bolle targets (Figuur 12). Elk target kan gescand worden en in de meeste
gevallen ook individueel opgemeten worden met behulp van een totaalstation. De artificiële targets
worden vaak aangeboden door de fabrikanten van de 3D-laserscanners. Deze targets reflecteren het
grootste deel van de laserstraal. (Jacobs, 2005)
3D-scanners kunnen geprogrammeerd worden om automatisch een target te scannen met de gepaste
scandichtheid. Het geometrische centrum van het target wordt daarbij door de scanner vastgesteld.
(Jacobs, 2005)
Naast de artificiële targets kunnen natuurlijke targets onderscheiden worden. Dit zijn specifieke
punten die deel uitmaken van het te scannen object, zoals een hoekpunt van een gebouw. Natuurlijke
targets worden als minder nauwkeurig beschouwd doordat, ten gevolge van de resolutie, het niet
mogelijk is om één enkel punt exact te scannen. Verder is het onzeker of het bepaalde punt weldegelijk
gescand werd. (Vlaams Leondardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
Targetnauwkeurigheid weerspiegelt het vermogen van een systeem om een bepaalde positionele
nauwkeurigheid van het centrum van een target te realiseren voor een scansysteem en gebruikte
software. Er kunnen targetnauwkeurigheden van 1,5mm gehaald worden. Hoe hoger de
targetnauwkeurigheid, hoe hoger de nauwkeurigheid van het totale project zal zijn. (Jacobs, 2005) De
targets kunnen door het Leica Scanstation C10 verworven worden met 2mm standaarddeviatie.
14
Figuur 11: Vlakke target met zwartwit patroon van Leica (Leica
Geosystems, 2014)
2.5
Figuur 12: Bolle target Seco (GO3D,
2014)
Laser
De term ‘laser’ is het acroniem van ‘light amplification by stimulated emission of radiation’.
Laserscanners maken gebruik van laserlicht omdat dit licht over specifieke eigenschappen beschikt die
andere lichtbronnen niet bezitten. Laserlicht wordt namelijk gekenmerkt door een specifieke
golflengte, ook wel monochromatisch licht genoemd. Verder wordt het in één specifieke richting
uitgezonden als een nauwe lichtbundel met een lage divergentie. Dankzij deze eigenschappen blijft de
stralingsintensiteit in de bundel zelfs op grote afstand hoog. (Baur, 1997)
Het Leica Scanstation C10 beschikt over een laser met een golflengte van 532nm, wat overeenkomt
met een groene laserstraal.
2.6
Foutenbronnen: algemeen
Elke laserscan resulteert in een puntenwolk met een enorm aantal 3D-coördinaten. In deze
puntenwolk bevinden zich vaak punten die niet tot het op te meten object behoren of die grote
afwijkingen vertonen. In tegenstelling tot de klassieke opmetingstechnieken kan de kwaliteit van de
meting met een 3D-laserscanner niet gegarandeerd worden wanneer louter de puntenwolk als
resultaat afgeleverd wordt. (Boehler et al., 2003)
De nauwkeurigheden van het toestel, die opgegeven worden door de fabrikanten, werden bepaald
onder laboratoriumomstandigheden. In praktijk bestaat de op te meten constructie vaak uit
verschillende materialen en worden gedeelten gescand met een variërende scangeometrie. Verder
worden wisselende atmosferische omstandigheden meestal niet opgevolgd. Alle fouten, afkomstig uit
verschillende foutenbronnen, planten zich voort waardoor ze afwijkingen veroorzaken in het
eindproduct. (Soudarissanane et al., 2011)
15
Een beschrijving van de foutenbronnen en de fouten die ze veroorzaken zijn van belang om te
begrijpen aan welke beperkingen een 3D-laserscanner onderworpen is. De foutenbronnen bij
laserscanners worden in vier groepen onderverdeeld: toestel gerelateerde fouten, object
gerelateerde fouten, methodologische fouten en fouten te wijten aan de omgeving. (Nguyen & Lui,
z.d.)
Instrumentale fouten
Dit zijn fouten die te wijten zijn aan het ontwerp van de laserscanner. Men onderscheidt willekeurige
fouten en systematische fouten. Willekeurige fouten zijn fouten die los van elkaar staan en die op
onregelmatige basis voorkomen. Ze treden voornamelijk op door onnauwkeurigheden te wijten aan
de waarnemer. Daarnaast treden systematische fouten op. Deze fouten worden gedurende de
volledige meting meegenomen en zorgen voor een continue afwijking op de meetresultaten. Ze
worden meestal veroorzaak door een afwijking op de tijdsregistratie of door temperatuurvariaties in
het toestel. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
2.6.1.1
Onnauwkeurigheid op de hoekmeting
De laserstraal wordt afgebogen met behulp van een afbuigmechanisme, zoals bijvoorbeeld een
roterende spiegel of prisma, om de horizontale en verticale hoek te meten. Met onder meer deze
twee hoekmetingen worden de 3D-coördinaten van de punten berekend. Elke fout veroorzaakt door
de assen of de hoekaflezing resulteert in een fout loodrecht op de meetrichting. De kwaliteit van de
hoekmeting wordt dus in grote mate bepaald door de nauwkeurigheid van het meetmechanisme.
(Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008; Boehler et al., 2003; Nguyen & Lui, z.d.)
Voor punten gelegen op grote afstand van de scanner geven kleine afwijkingen op de hoekaflezing
aanleiding tot aanzienlijke fouten. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
Aangezien de posities van afzonderlijke punten moeilijk verifieerbaar zijn, bestaan amper
onderzoeken naar dit probleem. Volgens Boehler en Marbs (2003) kunnen afwijkingen in de
hoekmeting opgespoord worden door korte horizontale en verticale afstanden tussen objecten
(bijvoorbeeld bollen) te bepalen. De objecten worden daarbij op eenzelfde afstand van de scanner
geplaatst.
2.6.1.2
Onnauwkeurigheid op de afstand
Bij deze foutenbron wordt een onderscheid gemaakt tussen de ‘time-of-flight’ laserscanners en de
fase gebaseerde laserscanners. Bij de ‘time-of-flight’ laserscanners is de nauwkeurigheid op de afstand
16
afhankelijk van de nauwkeurigheid van het mechanisme waarmee de looptijd van het uitgezonden
signaal gemeten wordt. Bij de fase gebaseerde laserscanners is dit afhankelijk van de nauwkeurigheid
waarmee het faseverschil tussen uitgezonden en ontvangen signaal gemeten wordt. Bij beide
systemen geeft het aanleiding tot een gelijkaardige storing, namelijk een afwijking op de gemeten
afstand. (Boehler et al., 2003)
Volgens Boehler en Marbs (2003) worden onnauwkeurigheden op de afstand gedetecteerd wanneer
gekende afstanden bepaald worden vanuit een gekende positie. Wanneer de 3D- laserscanner niet
boven een gekend punt opgesteld kan worden, kunnen enkel verschillen in afstanden gemeten
worden. Hiervoor worden best afstandsverschillen tussen vlakke, cilindrische of sferische targets
gemeten nadat hun positie bepaald werd met (nauwkeurigere) landmeetkundige methoden.
2.6.1.3
Divergentie van de laserbundel
Ondanks de hoge graad aan ruimtelijke cohesie binnen de laserstraal, treedt divergentie op.
Divergeren is het verwijden van de bundel bij toenemende afstand. Hierdoor stijgt de oppervlakte van
de ‘footprint’ bij grotere afstanden. Een grotere golflengte stimuleert het effect van divergentie en
hoe breder de bundel bij het uitzenden is, hoe kleiner het effect is. De verhouding wordt beschreven
aan de hand van volgende formule: (z.n., z.d.)
@ A.
−
γ: de divergentiehoek
−
β: een constante
−
λ: de golflengte
−
D: de initiële bundeldiameter
λ
Enerzijds heeft het effect op de resolutie van de puntenwolk waardoor op bepaalde plaatsen de
vereiste nauwkeurigheid niet behaalt wordt. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
Anderzijds zorgt het verschijnsel voor een onzekerheid op de positie van het gemeten punt. De
schijnbare locatie van het punt ligt langs de centrale as van de uitgezonden straal. Echter, de eigenlijke
locatie van het punt bevindt zich ergens in de uitgezonden footprint van de laser. (D. D. Lichti & Gordon,
2004)
17
In sommige uitvoeringen zal de laserstraal eerst convergeren waardoor op een bepaalde afstand van
de laserscanner een minimale spotgrootte bekomen wordt. (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap
v.z.w., 2008)
2.6.1.4
Randeffect
Het ‘mixed edge’-probleem of het randeffect (Figuur 13) treedt op ten gevolge van de
bundeldivergentie van het uitgezonden lasersignaal. Wanneer de bundel een rand van een object
raakt, is het mogelijk dat, ten gevolge van de afmetingen van de laserspot, het signaal slechts
gedeeltelijk het object raakt en bijgevolg slechts gedeeltelijk gereflecteerd wordt naar de scanner. Het
andere deel van het signaal gaat zich naast de rand voortplanten en reflecteren op een verder gelegen
oppervlak of wordt helemaal niet teruggekaatst. Wanneer dit deel van het signaal toch teruggekaatst
en ontvangen wordt in de scanner geeft het aanleiding tot twee verschillende afstandswaarden voor
eenzelfde punt. De scanner berekent het gemiddelde van deze waarden waardoor de positie van het
punt niet overeenstemt met de realiteit. De grootteorde van deze fouten bedraagt fracties van
millimeters tot enkele decimeters. Dit probleem kan niet helemaal uitgeschakeld worden tijdens het
scanproces, maar het kan gereduceerd worden door kleinere bundelbreedtes te hanteren. (Boehler
et al., 2003; Nguyen & Lui, z.d.)
Figuur 13: Het randeffect (Nguyen & Lui, z.d.)
2.6.1.5
Asfouten
Asfouten in de scanner
De asfouten binnen de scanner zijn te wijten aan mechanische imperfecties van de terrestrische laser
scanner. Binnen de scanner bevinden zich drie belangrijke assen, namelijk de verticale, de horizontale
en de collimatie as. De verticale as is de as die het mogelijk maakt om een laserbundel horizontaal te
roteren. De horizontale as is de rotatie-as van de afbuigeenheid. De collimatie as loopt van het
centrum van de afbuigeenheid (spiegel) tot het midden van de laserspot op het te meten oppervlak.
(Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
18
Ten gevolge van fabricagefouten zijn de assen niet perfect uitgelijnd. Hierdoor ontstaat de
collimatiefout (Figuur 14) en een fout op de horizontale as, wat afwijkingen op de aflezing van de
verticale en horizontale hoek veroorzaakt. (Nguyen & Lui, z.d.)
Figuur 14: Collimatiefout (Nguyen & Lui, z.d.)
Objectafhankelijke fouten
2.6.2.1
Reflectie van het object
Laserscanners ontvangen het gereflecteerde signaal van het object. De sterkte van dit signaal wordt
beïnvloed door de fysische wetten van de reflectie en de optische eigenschappen van materialen.
Monochromatisch licht vertoont reflecties in verschillende richtingen, ook gekend als diffuse reflectie
(Figuur 15). (Boehler et al., 2003; Nguyen & Lui, z.d.)
Figuur 15: Diffuse (isotrope) reflectie (Nguyen & Lui, z.d.)
De wet van Lambert berekent de invloed van de verschillende variabelen op de gereflecteerde
lichtintensiteit. De formule houdt rekening met de absorptie van het signaal door de lucht, de reflectie
van het materiaal en de invalshoek waarmee het signaal invalt op het oppervlak. (Nguyen & Lui, z.d.;
Vaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
*CD: *E . + . FGH
-
Ii(λ) : de invallende lichtintensiteit in functie van de golflengte
-
kd(λ) : de diffuse reflectiecoëfficiënt in functie van de golflengte
-
θ : de hoek tussen de invallende lichtstraal en de normaalvector op het vlak
19
De reflectie-eigenschappen, de kleur en de afwerkingslaag van het materiaal oefenen bijgevolg een
invloed uit op de intensiteit van het teruggekaatste signaal. Donkere oppervlakken absorberen meer
licht en kaatsen hierdoor een zwakker signaal terug in vergelijking met lichtere kleuren. Door de
hogere intensiteit die terug ontvangen wordt, leveren de lichte kleuren een meer betrouwbaar en
nauwkeuriger resultaat voor de afstandsmeting op. Hoog reflectieve materialen, zoals bijvoorbeeld
metalen, retro reflectieve tape etc. kaatsen de laserbundel volledig terug naar de 3D-laserscanner.
Hierdoor worden verkeerde punten geregistreerd aangezien de bundel een ander vlak raakt voor het
signaal de scanner bereikt. Een andere mogelijkheid bestaat erin dat de scanner de bundel niet meer
ontvangt. (Nguyen & Lui, z.d.; Vaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
Oppervlakten bestaande uit variërende materialen en/of wisselende graad van reflectiviteit geven
aanleiding tot systematische fouten op de afstandsmeting. Voor sommige materialen zijn deze fouten
verschillende keren groter dan de standaardafwijking van een enkele meting. Deze fouten kunnen
vermeden worden door het gehele oppervlak te bedekken met eenzelfde materiaal maar dit is
praktisch moeilijk te verwezenlijken. (Boehler et al., 2003; Nguyen & Lui, z.d.)
2.6.2.2
‘Multipath’reflectie
‘Multipath’ is het fenomeen waarbij de laserstraal vanop een oppervlak gereflecteerd wordt naar een
ander oppervlak vanwaar het uiteindelijk terug gereflecteerd wordt naar de scanner. Het signaal is
langer onderweg waardoor te grote afstanden gemeten worden. (Nguyen & Lui, z.d.)
Ook materialen afgewerkt met een semi-transparante laag geven aanleiding tot foutief gemeten
afstanden. Door deze laag wordt het signaal in het materiaal afgebogen en gereflecteerd (Figuur 16),
waardoor de looptijd van het signaal verlengd wordt. (Nguyen & Lui, z.d.)
Figuur 16: Refractie bij semi-transparante materialen (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
20
Omgevingsfactoren
2.6.3.1
Temperatuur
Een 3D-laserscanner levert enkel correcte resultaten binnen een bepaald temperatuursinterval.
Binnen dit interval kunnen evenwel verstoringen optreden. Door interne opwarming of door de
straling van een externe warmtebron, zoals de zon, kan de temperatuur in de scanner oplopen. Deze
opwarming in de scanner geeft aanleiding tot vervormingen die zorgen voor systematische
verstoringen van de gescande gegevens. Ze hebben voornamelijk een invloed op de afstandsmeting.
(Boehler et al., 2003)
De temperatuur van het op te meten object beïnvloedt eveneens de meting. In warme omgevingen
neemt de achtergrondstraling toe die door warme vlakken veroorzaakt wordt. De signaal/ruisverhouding neemt daardoor af en bijgevolg ook de nauwkeurigheid op de afstandsmeting. (Vlaams
Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
2.6.3.2
Atmosfeer
De resultaten van optische afstandsmetingen worden beïnvloed door de atmosferische
omstandigheden zoals luchtdruk, temperatuur, luchtvochtigheid, etc… Deze beïnvloeden de
brekingsindex, de golflengte en de voortplantingssnelheid van het signaal. Voor korte afstanden of
metingen die een beperkte nauwkeurigheid vereisen, wordt het effect vaak verwaarloosd. Bij grote
afstanden of hoge precisie scans is het van belang om de gepaste atmosferische parameters toe te
passen. Aan de hand van software kan een correctiefactor aangebracht worden. In het algemeen
gebruiken de scanners de ISO standaard voor atmosferische condities (15°C; 1013,25 hPa). (Boehler
et al., 2003; Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008; Nguyen & Lui, z.d.)
2.6.3.3
Straling interferentie
3D-laserscanners werken in een erg nauwe frequentieband van het elektromagnetisch spectrum.
Sterke externe lichtbronnen, zoals lampen en de zon, die in de ontvanger intreden beïnvloeden de
meetresultaten. Om dit te verhelpen worden in de ontvanger interferentiefilters geplaatst die enkel
de correcte frequenties doorlaten. (Boehler et al., 2003; Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w.,
2008)
2.6.3.4
Distorsie door beweging
Een laserscanner scant de punten van het op te meten object aan een hoge snelheid. Elk punt wordt
op een ander ogenblik opgemeten waardoor kleine bewegingen voor verschuivingen in de
21
puntenwolk zorgen. Zowel bewegingen van de scanner, als bewegingen van het object geven hiertoe
aanleiding. Trillingen veroorzaken grote fouten in de hoekmetingen. Dit probleem wordt gereduceerd
door de laserscanner te monteren op een vast en stabiel platform. (Vlaams Leonardo Da Vinci
Agentschap v.z.w., 2008; Nguyen & Lui, z.d.)
De scanner beweegt verder ten gevolge van temperatuurschommelingen. Dit is bijvoorbeeld het geval
wanneer de zon een opwarming langs een zijde van de scanner veroorzaakt waardoor één been van
het statief uitzet. (Vaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w., 2008)
Methodologische fouten
Methodologische fouten zijn fouten afhankelijk van de gekozen opmetingstechniek of fouten te wijten
aan de ervaring van de gebruiker van de laserscanner. Er kunnen menselijke fouten optreden waarbij
een verkeerde scanner, resolutie of verwerkingstechniek gekozen wordt. (Vaams Leonardo Da Vinci
Agentschap v.z.w., 2008)
Fouten ten gevolge van de scangeometrie
De plaatsing van de laserscanner ten opzichte van het te scannen oppervlak bepaalt de invalshoek, de
afstand en de puntendichtheid van de scan (Soudarissanane et al., 2011). De invalshoek heeft de
grootste invloed op de datakwaliteit. De beste datakwaliteit wordt bekomen wanneer de laserstraal
loodrecht invalt op het oppervlak. Grotere afstanden of grotere invalshoeken bemoeilijken de detectie
van het teruggekaatste signaal. Wanneer de invalshoek te groot wordt, worden minder punten
verworven en daalt de nauwkeurigheid van de scan. (Nguyen & Lui, z.d.; Pesci & Teza, 2008)
Ten gevolge van de divergentie van de laserstraal heeft de laserstraal die loodrecht invalt op het
oppervlak een cirkelvormige ‘footprint’. Grotere afstanden resulteren in een grotere cirkelvormige
laserspot. Wanneer de invalshoek vergroot en de laserstraal niet meer loodrecht invalt, krijgt de
‘footprint’ een langwerpige vorm (Figuur 17). Door deze langwerpige vorm wordt de energie van de
laserstraal verspreid over een grotere oppervlakte. Het teruggekaatste signaal vertoont hierdoor een
lagere intensiteit. (Soudarissanane et al., 2011)
Figuur 17: 'Footprint' van een loodrecht invallende straal (links) en van onder een invalshoek (rechts)
(Soudarissanane, Lindenbergh, Menenti, & Teunissen, 2011)
22
2.7
Reflectie en reflectiereflectie-eigenschappen
3D -laserscanners bestaan uit een reeks meetsystemen die de laserbundel afbuigen in de te meten
richting. Het afbuigingssysteem wijst de laserstraal in de richting van het te meten punt en de
laserstraal interageert op die plaats met het object. Bij de interactie van licht met het materiaal treden
transmissie, absorptie en reflectie op. Figuur 18 toont een ideale situatie waarbij de transmissie- en
reflectiecomponenten spectraal of perfect diffuus zijn. Figuur 19 toont de transmissie en reflectie
voor reëel oppervlakken. (Palmer, 2010)
Figuur 18: Ideale reflectie en transmissie (Palmer, 2010)
Figuur 19: Reële reflectie en transmissie (Palmer, 2010)
In de meeste gevallen doen de drie types zich voor maar de verhoudingen verschillen door de
karakteristieke kenmerken van de materie (Wynn, 2000). Transmissie is het doorlaten van licht en
doet zich vooral voor bij doorzichtige materialen. Bij absorptie wordt het licht opgenomen en omgezet
in een andere energievorm, meestal warmte. Reflectie, tenslotte, is het (gedeeltelijk) terugkaatsten
van de invallende lichtbundel. (Palmer, 2010) Reflectiviteit wordt beschouwd als de verhouding van
de hoeveelheid teruggekaatste straling ten opzichte van de hoeveelheid uitgezonden straling (Pfeifer
et al., 2007a).
23
Albedo
De term albedo wordt vooral gebruikt om de gemiddelde reflectiecoëfficiënt uit te drukken. Albedo is
het gedeelte van de invallende straling dat gereflecteerd wordt op een oppervlak. Reflectie is het
proces dat resulteert in de gereflecteerde straling. Albedowaarden zijn dimensieloos en variëren
tussen 0 en 1 of tussen 0% en 100%. Hierbij stelt 0% een zwart lichaam voor, dit is een lichaam dat
100% van de invallende straling absorbeert. De waarde 1 of 100% stelt een ideaal reflecterend
oppervlak voor, hier wordt alle invallende straling gereflecteerd. Albedowaarden kunnen toegekend
worden aan alle materialen en bodemsoorten, zoals te zien is in Tabel 2. (Dobos, z.d.)
Tabel 2: Albedowaarden van enkele natuurlijke materialen (Dobos, z.d.)
2.7.1.1
Meten van albedowaarden
albedowaarden
Albedowaarden worden gemeten met een stralingssensor of pyranometer. De pyranometer meet
eerst de invallende straling en daarna de gereflecteerde straling. Vanuit deze waarden wordt de
albedowaarde afgeleid door de waarde van de gereflecteerde straling te delen door deze van de
invallende straling. Het is bijzonder ingewikkeld om de werkelijke albedowaarde te bepalen onder
natuurlijke omstandigheden. Hiervoor zijn drie redenen op te merken. Een eerste reden is dat de
meting niet enkel beïnvloed wordt door de straling van de bron, maar dat eveneens diffuus licht van
andere bronnen aanwezig is. Vervolgens reflecteert het oppervlak niet in elke richting evenveel licht
of straling. Ten derde wordt gesteld dat de meter slechts een lichtmeting uitvoert onder een klein
bereik van hoeken ten gevolge van de beperkte afmetingen van de sensor. Hierdoor zijn de
reflectiemetingen enkel monsters van de bidirectionele reflectie distributiefunctie (BRDF). Dit wordt
verder uitgelegd in 2.7.4 op pagina 27 van deze studie. (Dobos, z.d.)
Door de hoge kostprijs van deze pyranometers zijn deze toestellen vaak niet voorhanden in een
schoolomgeving. Glen Gilchrist (2011) ontwikkelde een goedkoop alternatief dat gebruik maakt van
24
digitale fotografie en een freeware verwerkingsprogramma. Het programma bepaalt met behulp van
een algoritme een relatieve albedowaarde ten opzichte van een referentieobject met een gekende
albedowaarde. De methode stelt een albedowaarde vast met een nauwkeurigheid van ongeveer 3%
ten opzichte van de gekalibreerde toestellen. De werkwijze die gehanteerd dient te worden, is de
volgende:
−
Fotografeer het referentiemateriaal samen met het materiaal waarvan de albedowaarde
bepaald dient te worden en laadt deze foto in in het gratis te downloaden programma ‘Image
J’
−
Bepaal van het referentiemateriaal en het gevraagde materiaal de gemiddelde waarde aan de
hand van bijhorende histograms (Figuur 20)
−
Vervolgens kan de relatieve albedowaarde berekend worden:
IJK1LF9:EC MN99
MCO:E
Hierin is Bgevraagd de gemiddelde helderheid van het gevraagde materiaal en Breferentie de
gemiddelde helderheid van het referentiemateriaal.
−
De absolute albedowaarde van het materiaal is dan:
IJK1LF9P;: IJK1LFCO:E . IJK1LF9:EC
Hierin in de albedowaarde van de referentie een waarde tussen 0 en 1.
Figuur 20: Gebruik van ImageJ om de histogrammen te bepalen (Gilchrist, 2011)
25
Soorten reflectie
2.7.2.1
Speculai
Speculaire reflectie
Speculaire, gerichte of spiegelende reflectie treedt op wanneer het uitgezonden signaal weerkaatst
op een effen en glad oppervlak (Figuur 21). Bij deze vorm van reflectie zijn de invalshoek en
terugkaatsingshoek even groot. Dit zijn respectievelijk de hoek gevormd tussen de invalsrichting en
de normaal en de hoek tussen de normaal en de terugkaatsingsrichting (Figuur 22). (Van Alboom &
Vanhaelst, 2012/2013; z.n., z.d.)
Figuur 22: Spiegelende reflectie (Waikato, 2012)
2.7.2.2
Figuur 21: Speculaire reflectie (Waikato, 2012)
Diffuse reflectie
Diffuse reflectie treedt op wanneer het signaal wordt teruggekaatst vanaf een ruw oppervlak. In de
praktijk komt deze vorm van reflectie het vaakst voor. Bij diffuse reflectie wordt de invallende straling
teruggekaatst in verschillende richtingen door het verschil in oriëntatie van het oppervlak op
microniveau (Figuur 23), daardoor is het moeilijk om de exacte richting van het teruggekaatste signaal
te voorspellen. Verder ligt de intensiteit van het gereflecteerde signaal lager dan bij vlakke
oppervlakken omdat het signaal zich niet meer als bundel voortplant. (Van Alboom & Vanhaelst,
2012/2013; z.n., z.d.)
Figuur 23: Diffuse reflectie (Waikato, 2012)
26
LIDAR
Het LIDAR (‘Light Detection And Ranging’) principe laat toe om met een laserscanner, naast
coördinaten, extra informatie te verschaffen over de punten uit de puntenwolk. Deze informatie heeft
veelal betrekking op de intensiteitswaarde van de punten die gerelateerd zijn aan het vermogen van
het teruggekaatste signaal. De waarde wordt bepaald door de meetafstand, de reflectieeigenschappen van het object, zoals het diffuse en speculaire reflectiegedrag, en de absorptie- en
transmissie-eigenschappen van het materiaal. (Pfeifer et al., 2007a)
Bidirectional Reflectance Distribution
Distribution Function (BRDF)
BRDF is een vierdimensionale functie die de hoeveelheid licht beschrijft dat weerkaatst wordt bij
reflectie op een ondoorzichtig oppervlak vervaardigd uit een specifiek materiaal. De interactie van het
licht is afhankelijk van de specifieke karakteristieke kenmerken van het materiaal en het licht, de
positie van de waarnemer en de invalshoek van het licht. (Baribeau, Rioux, & Godin, 1992; Wynn,
2000)
Light Reflectance Value
De ‘Light Reflectance Value’ of LRV staat voor de totale hoeveelheid zichtbaar en bruikbaar licht
gereflecteerd door een oppervlak in alle richtingen en op elke golflengte wanneer het verlicht wordt
door een lichtbron. LRV is een waarde die aangeeft hoeveel licht een bepaalde kleur reflecteert en
hoeveel het bijgevolg absorbeert. De waarden kunnen gaan van 0% tot 100%. Hierbij wordt 0% (zwart)
als absoluut absorberend en 100% (wit) als perfect reflecterend beschouwd, waarbij opgemerkt moet
worden dat deze kleuren in de praktijk moeilijk te verwezenlijken zijn. Het donkerste zwart bevindt
zich voor praktische doeleinden rond een LRV van 5%, terwijl het helderste wit zich rond de 90%
bevindt. In onderstaande Figuur 24 wordt een LRV schaal voorgesteld. (Sawaya & Sawaya, 2005)
Figuur 24: LRV schaal van de grijswaarden (Sawaya & Sawaya, 2005)
27
2.8
Reeds uitgevoerde onderzoeken
In een onderzoek van Pfeifer (2007) werd de invloed van de intensiteit van teruggekaatst laserlicht
onderzocht aan de hand van targets met gekende reflectie- en verstrooiingseigenschappen die vanop
verschillende afstanden en onder variërende hoeken gescand werden met een TLS. Met de proef werd
getracht om de juistheid van de intensiteitswaarden te bepalen en de mogelijke invloed van reflectie
op de afstandsmeting vast te leggen. Daarvoor werd gebruik gemaakt van targets van het merk
‘Spectralon’ (Figuur 25). Deze hebben gekende reflectiviteitswaarden tussen de 5% en 99% en
reflecteren het signaal diffuus vanop de toplaag.
Figuur 25: Illustratie van de gebruikte ‘Spectralon’ targets (Pfeifer, Dorninger, Haring, & Fan, 2007b)
In (T Voegtle & Wakaluk, 2009) werden dezelfde targets gebruikt om de invloed van de afstand en de
invalshoek te bestuderen. Met een Leica HDS6000 werden de targets vanop 5m, 10m, 15m, 20m en
25m gescand onder verschillende invalshoeken, variërend van 0 tot 90 gon. Figuur 26 geeft de relatie
tussen standaarddeviatie en invalshoek weer. Daaruit blijkt dat de invalshoek effect heeft op de
precisie van de resultaten. Bij een toenemende invalshoek zakt de standaarddeviatie en bij
toenemende afstand nemen de standaarddeviaties van de invalshoeken toe.
Figuur 26: Standaarddeviatie voor verschillende afstanden in functie van de invalshoek (T Voegtle & Wakaluk,
2009)
28
Het onderzoek van Kaasalainen, Jaakkola, Krooks en Kukko (2011) vergelijkt de scanresultaten van de
Faro LS 880, de Leica HDS6100 en de Sick LM151 om een algemene correctiemethode te bepalen voor
de intensiteit van de data. Figuur 27 geeft het effect van de invalshoek op de intensiteit weer. De
resultaten werden vergeleken met theoretische waarden bepaald aan de hand van de Cosinuswet van
Lambert (2.6.2.1). Deze wet bepaalt dat de intensiteit bij een perfect diffuus oppervlak evenredig is
met de hoek tussen de normaal en de richting van de laserstraal.
Figuur 27: Invloed van de invalshoek op de intensiteit voor de FARO TLS (Kaasalainen, Jaakkola, Kaasalainen, Krooks, &
Kukko, 2011)
De resultaten tonen aan dat de intensiteit niet enkel beïnvloed wordt door de invalshoek maar
eveneens door de albedowaarde en de ruwheid van het oppervlak, waardoor de correctiefactor ook
deze variabelen moet omvatten. Om die reden werd gebruik gemaakt van een empirisch model
waarbij de Lommel-Seeliger wet en de wet van Lambert gecombineerd worden. De Lommel-Seeliger
wet geeft een goede benadering van de intensiteit voor donkere oppervlakken, terwijl de wet van
Lambert een benadering is voor heldere oppervlakken. De vergelijking tussen de geregistreerde
intensiteitswaarden en de theoretisch bepaalde waarden aan de hand van deze gecombineerde wet
worden weergegeven in Figuur 28.
Figuur 28:Experimenteel bepaalde intensiteitswaarden van de FARO TLS en de theoretisch bepaalde waarden van het
empirisch model.
29
Algemeen wordt gesteld dat naarmate de invalshoek toeneemt, de intensiteit en bijgevolg de
datakwaliteit afneemt. Een verklaring hiervoor is de toename in de grootte van de laserspot bij
stijgende invalshoeken (2.6.5). Het verval is het grootst bij de meest reflectieve materialen. Een
invalshoek volgens de richting van de normaal van het vlak wordt als ideaal beschouwd.
Aan de Universiteit van Delft (Soudarissanane, Lindenbergh, Menenti, & Teunissen, 2009) is eveneens
onderzoek gedaan naar de invloed van de invalshoek op de kwaliteit van de scanresultaten. Een
testvlak werd opgesteld op 20m van de TLS en werd geroteerd van 0° tot 80° in stappen van 10° (Figuur
29). Het onderzoek werd uitgevoerd met een FARO LS880-HE80.
Figuur 29: Bovenaanzicht proefopstelling 1 (Soudarissanane et al., 2009)
Op Figuur 30 geeft de rode lijn de totale afwijking weer, de groene is een theoretisch bepaalde waarde
voor de invloed van de invalshoek en de blauwe lijn geeft de afwijking weer ten gevolge van andere
factoren dan de invalshoek. De resultaten benaderen de theoretische waarden bepaald aan de hand
van een model waarbij de invloed van de invalshoek bepaald is op basis van de horizontale hoek, de
verticale hoek en de lokale normaalvector van het gemeten oppervlak.
Figuur 30: Resultaten van experiment 1 (Soudarissanane et al., 2009)
30
Het groter wordende verschil tussen de rode en blauwe lijn bij grotere invalshoeken duidt op een
toenemende invloed veroorzaakt door de invalshoek. De fout veroorzaakt door andere parameters
blijft voor elke meting nagenoeg stabiel. Uit het onderzoek wordt geconcludeerd dat 65° de maximale
invalshoek is om betrouwbare resultaten te bekomen. Bij grote hoeken neemt de sterkte van het
teruggekaatste signaal af, vanaf circa 65° wordt dit verval te groot om betrouwbare resultaten te
bekomen. Ook hier wordt de langwerpige laserspot (2.6.5) als oorzaak aangehaald.
De bevindingen omtrent de invloed van de vervormde laserspot worden nogmaals bevestigd in
(Nguyen & Lui, z.d.). Uit het onderzoek wordt verder geconcludeerd dat de invalshoek circa 20%
aandeel heeft in de totale afwijking op de afstandsmeting.
De invloed van de invalshoek wordt mede bepaald door de oppervlaktekarakteristieken van het
gescande object. Bij onregelmatige oppervlakken is het effect van de invalshoek op de intensiteit
beperkter door de variërende oriëntatie van de microscopische elementen van het oppervlak. Deze
bevinding wordt bevestigd door een andere studie (Pesci & Teza, 2008) waarin het effect van
oppervlakteoneffenheden op de intensiteitsdata onderzocht werd.
Om de invloed te onderzoeken werden de scanresultaten van een vlak en een onregelmatig oppervlak
met elkaar vergeleken. Beide panelen werden bevestigd op een vlak wit frame dat om zijn as kan
draaien (Figuur 31).
Figuur 31: Proefopstelling met vlak en onregelmatig paneel (Pesci & Teza, 2008)
In totaal werd de opstelling 24 keer gescand voor verschillende afstanden (25m, 50m, 100m en 225m)
en onder variërende invalshoeken (van 0° tot 75°, met stappen van 15°). Het witte frame bleef steeds
loodrecht staan ten opzichte van de scanner en trad op als referentie voor de panelen die gescand
werden.
31
Tussen de verschillende afstanden werden geen opmerkelijke verschillen vastgesteld waardoor enkel
de resultaten van de meting op 25m (Figuur 32) met variërende invalshoeken behandeld werd in het
onderzoek.
Figuur 32: Scanresultaten op een afstand van 25m bij verschillende invalshoeken (Pesci & Teza, 2008)
In overeenstemming met Kaasalainen et al. (2011) wordt geconcludeerd dat de intensiteit van de
teruggekaatste laserstaal daalt met toenemende invalshoek. Bij het onregelmatig oppervlak is de
waargenomen intensiteit vrij constant en het intensiteitsverval bij grotere invalshoeken zeer beperkt.
De gemiddelde intensiteit van de verschillende vlakken bij de meting op 25m afstand en onder
variërende invalshoeken wordt weergegeven in Tabel 3.
Tabel 3: Resultaten van de gemiddelde intensiteiten op een afstand van 25m (Pesci & Teza, 2008)
Guihua
et
al.
(2013)
voerden
eveneens
een
onderzoek
uit
naar
de
invloed
van
oppervlaktekarakteristieken op de intensiteit van de TLS scan. Er werden targets met gekende
reflectiewaarden (35% en 55%), acht gekleurde platen en zes constructiematerialen gescand vanop
verschillende afstanden en onder verschillende invalshoeken met het Leica Scanstation C10. Het
testvlak werd op 10m en 30m van de TLS opgesteld en geroteerd in stappen van 10° gaande van 0° tot
80°. Op basis van de scans werd voor elk gemeten vlak drie statische grootheden bepaald. De
32
nauwkeurigheid waarmee het vlak benaderd werd (σp), de gemiddelde intensiteit (I) en de
standaarddeviatie op de intensiteit (σ).
Figuur 33 geeft de geregistreerde intensiteit weer van de scans van de gestandaardiseerde
reflectieplaten op 10m (experiment 1) en 30m (experiment 2) bij variërende invalshoek. Het is
duidelijk dat de intensiteit zakt naarmate de invalshoek toeneemt en de afstand groter is. Een hogere
reflectie zorgt voor grotere intensiteitswaarden.
Figuur 33: Invloed van de invalshoek op de intensiteit op scanafstand van 10m (exp 1) en 30m (exp 2) (Guihua, Mingfeng,
Jianping, Jiangxia, & Ling, 2013)
Verder werd de invloed van de invalshoek op de afstandsnauwkeurigheid (Figuur 34) bepaald, evenals
de standaarddeviatie op de intensiteit (Figuur 35). Voor de afstandsnauwkeurigheid valt uit de
resultaten af te leiden dat een hogere reflectiewaarde en kortere afstand de meest nauwkeurige
afstandsmeting oplevert. Opmerkelijk is dat deze afstandsnauwkeurigheid ook toeneemt bij grotere
invalshoeken, dit geldt bij beide experimenten. De invloed van de afstand is kleiner bij een hogere
reflectie. De standaarddeviatie levert gelijkaardige resultaten op. De kwaliteit van de resultaten ligt
hoger naarmate de reflectiviteit en de invalshoek toeneemt. De invloed van de afstand is beperkt.
Figuur 34: Afstandsnauwkeurigheid in functie van de
invalshoek op scanafstand van 10m (exp 1) en 30m (exp 2)
(Guihua, Mingfeng, Jianping, Jiangxia, & Ling, 2013)
Figuur 35: Standaarddeviatie van de intensiteit in functie
van de invalshoek bij 10m (exp 1) en 30m (exp 2) (Guihua,
Mingfeng, Jianping, Jiangxia, & Ling, 2013)
33
Hetzelfde experiment werd herhaald met kleurvlakken. Qua intensiteit sluiten de bevindingen aan bij
deze van de gestandaardiseerde reflectieplaten. De intensiteit stijgt naarmate de kleur lichter wordt
en neemt af bij grotere invalshoeken. Zo wordt duidelijk dat de kwaliteit van de puntenwolk in sterke
mate afhankelijk is van de reflectiviteit en de invalshoek. Figuur 36 geeft de intensiteit weer die
geregistreerd werd voor de verschillende kleurvlakken bij variërende invalshoeken.
Figuur 36: Intensiteit in functie van de invalshoek bij verschillende kleuren (Guihua et al., 2013)
Voor de afstandsnauwkeurigheid liggen de resultaten in dezelfde lijn. De kleuren die de hoogste
intensiteit opleveren zijn ook het nauwkeurigst voor de afstandsbepaling. In functie van de hoek blijft
de afstandsnauwkeurigheid stabiel of is er een lichte verbetering naarmate de hoek groter wordt. De
enige uitzondering is het rode vlak (Figuur 37).
Figuur 37: Afstandsnauwkeurigheid in functie van de invalshoek bij verschillende kleuren (Guihua et al., 2013)
34
In (Clark & Robson, 2011) werd de invloed van oppervlaktereflectiviteit op de kwaliteit van de
puntenwolk onderzocht. Daarvoor zijn verschillende oppervlakten met gekende kleur- en reflectieeigenschappen geregistreerd vanop verschillende afstanden en onder verschillende invalshoeken met
de Leica HDS2500, een puls gebaseerde scanner.
De grafieken van de normaalverdeling (Figuur 38) tonen dat bij toename van de invalshoek de
oppervlakte onder de curve afneemt en dat de normaalverdeling verbetert. Deze bevindingen worden
het meest benadrukt bij vlakken met een grotere reflectiviteit. Bij 60° neemt de dichtheid van de
puntenwolk echter sterk af waardoor hoeken van circa 20° à 40° in de praktijk de voorkeur genieten.
Deze hoeken leveren een optimale puntenwolk met een beperkte ruis op.
Figuur 38: Vergelijking normaalverdeling bij verschillende invalshoeken voor een wit (links) en zwart (rechts) vlakje (Clark &
Robson, 2011)
(Soudarissanane et al., 2011) voerde onderzoek naar de invloed van de scangeometrie op de
nauwkeurigheid van de individuele punten van de puntenwolk. Uit het onderzoek wordt de invloed
van de invalshoek en de afstand afzonderlijk gefilterd. De afstand heeft effect op de omvang van de
ruis die de meting bevat. De ruis en de onzekerheid op de afstandsmeting nemen toe wanneer de
afstand tussen scanner en object groter. Figuur 39 geeft met de blauwe lijnen de standaarddeviatie
aan nadat de invloed van de invalshoek gecorrigeerd werd. De groene lijnen geven de overgebleven
standaarddeviatie nadat ook de invloed van de afstand gecorrigeerd werd.
35
Figuur 39: Standaarddeviatie na correctie van de invalshoek en de afstand (Soudarissanane et al., 2011)
Een tweede opstelling in (Pfeifer et al., 2007b) werd gebruikt om de invloed van de afstand te
onderzoeken. In Figuur 40 worden de geregistreerde intensiteitswaarden uitgezet in functie van de
afstand. De intensiteit neemt toe naarmate de reflectie toeneemt. De curves van de verschillende
targets kennen in functie van de afstand een gelijkaardig verloop. De intensiteit kent een maximum
bij korte afstanden waarna de intensiteit daalt tot op een afstand van 15m à 20m. Nadien loopt de
geregistreerde intensiteit opnieuw op.
Figuur 40: Geregistreerd intensiteit in functie van de afstand (Pfeifer et al., 2007b)
De gemeten intensiteitswaarden worden vergeleken met theoretische waarden die bepaald zijn aan
de hand van een afgeleide van de ‘laser range equation’ (2.4.7). Deze theoretische waarden blijken
slechts in heel specifieke omstandigheden betrouwbare waarden op te leveren. Het onderzoek maakt
duidelijk dat een empirisch model, waarbij de relatie gelegd wordt tussen de invalshoek, de
reflectiviteit en de afstand, gebruikt moet worden om meer betrouwbare voorspellingen te maken
betreffende de intensiteit.
36
In de zoektocht naar een algemene correctiemethode deed Kaasalainen et al. (2011) onderzoek naar
de invloed van de afstand op de intensiteit. De invloed van de afstand op de intensiteit werd
onderzocht aan de hand van vier ‘Spectralon’-platen met gekalibreerde reflectiewaarden van 12%,
25%, 50% en 99% die vanop verschillende afstanden werden gescand. Uitgaande van de Lidarvergelijking werden alle variabelen, behalve deze afhankelijk van de afstand, beschouwd als een
constante K. Deze constante dient empirisch bepaald te worden, op die manier kan de vergelijking
herschreven worden als volgt.
0Q R
S²
Figuur 41 geeft de invloed van de afstand en reflectie op de geregistreerde intensiteit weer voor de
drie 3D-laserscanners. Het afstandseffect is voor elke scanner gelijkaardig. De intensiteit neemt
duidelijk af bij toenemende afstand. Voor korte afstanden lijkt de verhouding K/R² minder
betrouwbaar te zijn voor het benaderen van de intensiteit. Dit geldt voor elke geteste scanner. De
intensiteit neemt af voor afstanden kleiner dan 5m, vermoedelijk kan dit verklaard worden door
voorzieningen, aangebracht in de scanner, die ervoor zorgen dat de helderheid wordt afgezwakt bij
korte afstanden. Voor afstanden vanaf 10m is de verhouding K/R² wel een goede benadering voor de
intensiteitswaarden. De resultaten dienen daarvoor eerst verschaald te worden of een offset moet
aangebracht worden om nauwkeurigere resultaten te bekomen. Dit wijst erop dat de intensiteit niet
enkel door de afstand bepaald wordt maar ook door de eigenschappen van de scanner. Wetende dat
het effect van de afstand deels bepaald wordt door het instrument, is het aan te raden om correcties
toe te passen aan de hand van een tabel, gebaseerd op referentiemetingen. De ‘Lidar’-vergelijking
vormt een degelijk alternatief.
Figuur 41: Intensiteit in functie van de afstand voor de FARO LD880 en Leica HDS6100 en vergeleken met de verhouding
K/R² (Kaasalainen et al., 2011)
Soudarissanane et al. (2009) beschrijft een tweede proefopstelling waarbij getracht wordt om het
effect van de afstand te bepalen. Het testvlak werd gepositioneerd op 5m, 10m, 20m, 30m, 40m en
37
50m. De resultaten (Figuur 42) tonen aan dat de afwijking toeneemt bij toenemende reflectiviteit en
afstand. De invloed onafhankelijk van de invalshoek, verloopt gelijklopend met de toename van de
afstand. Een grotere afstand leidt tot een grotere afstandsfout. (Soudarissanane et al., 2009)
Figuur 42: Resultaten van experiment 2 (Soudarissanane et al., 2009)
Lichti en Harvey (2008) scanden verschillende gesteenten vanop korte (3m) en middellange (53m)
afstand om de invloed van de reflectiviteit op de intensiteit en afstandsnauwkeurigheid te
onderzoeken. De lichtere stenen, zoals kalksteen en witte graniet,
leverden grotere
intensiteitswaarden op dan donkere gesteenten, zoals steenkool. Voor elk gesteente neemt deze
waarde af wanneer de afstand tussen TLS en object groter is. Verder blijkt dat door de sterkere
terugkaatsing van de laserstraal, de maximale scanafstand groter is bij hoog reflectieve materialen.
Tabel 4 geeft een overzicht van de geregistreerde intensiteit voor de verschillende steensoorten.
Tabel 4: Overzicht van de geregistreerde intensiteit (Lichti & Harvey, 2008)
38
De studie van Clark en Robson (2011) spreekt van een systematisch, niet-lineair verband tussen het
verschil in afstandsmeting en de reflectiewaarde van elk kleurvlak. Een soortgelijk verband geldt
tussen de afwijking op de afstand en de meetkwaliteit waaruit het verband tussen de meetkwaliteit
en de reflectiewaarde volgt. In vergelijking met een nauwkeurig bepaalde referentieafstand wordt
duidelijk dat een lage spectrale reflectiewaarde (donkere kleur) aanleiding geeft tot grotere
afwijkingen en een afname van de kwaliteit van de meting. Bij een hogere reflectiewaarde (lichtere
kleur) wordt een hogere dichtheid van de puntenwolk bereikt en is de ruis beperkt.
Figuur 43: Afwijkingen in functie van de reflectiewaarde (Clark & Robson, 2011)
Uit de data blijkt dat bij orthogonale metingen de ruis eerder willekeurig optreedt (Figuur 43).
Eveneens vertoont de dichtheid en verdeling van de data in de puntenwolk amper verschil voor
oppervlakten met een verschillende reflectiviteit, wanneer deze vanop eenzelfde afstand gemeten
worden (Figuur 44).
Figuur 44: Vergelijking van de normaalverdelingen bij een orthogonale meting (Clark & Robson, 2011)
39
Vanop twee verschillende afstanden leverden de metingen van eenzelfde kleurvlakje geen significant
verschil op. Hierbij vertoont de standaarddeviatie wel grotere variaties bij lichte kleuren, in
vergelijking met degene van de donkere kleuren.
Voegtle en Wakaluk (2009) bevestigen dat de afstandsfout toeneemt bij grotere afstand tussen TLS
en object (Figuur 45). Bovendien neemt de standaardafwijking toe in functie van de afstand, maar
daalt ze bij hogere reflectiviteit (Figuur 46).
Figuur 45: Afstandsafwijking en zijn onzekerheid in functie van de afstand voor het target met 50% reflectiviteit (T Voegtle
& Wakaluk, 2009)
Figuur 46: Standaarddeviatie [mm] van da afstandmetingen in functie van de reflectiviteit (T Voegtle & Wakaluk, 2009)
Er werden ook vaststelling gedaan met betrekking tot de relatie tussen de reflectiviteit van het object
en de intensiteit van het teruggekaatste signaal. Figuur 47 geeft duidelijk weer dat de intensiteit
toeneemt naarmate de reflectiviteit hoger is.
40
Figuur 47: Relatie tussen reflectiewaarden en geregistreerde intensiteit (T Voegtle & Wakaluk, 2009)
In een gelijkaardig onderzoek (T. Voegtle, Schwab, & Landes, 2008) werden intensiteitswaarden van
verschillende grijswaarden onderzocht. De intensiteitswaarden en de standaarddeviatie nemen
systematisch toe naarmate de tint helderder wordt (Figuur 48) . Deze vaststellingen werden verder
onderzocht en bevestigd aan de hand van kleurvlakken.
Figuur 48: Gemiddelde intensiteit in functie van de grijswaarde (T. Voegtle et al., 2008)
Voegtle et al (2008) deden gelijkaardig onderzoek met de trimble GX, een pulsscanner. Elke vlak werd
orthogonaal gemeten en de invloed van de helderheid op de nauwkeurigheid werd onderzocht. Om
de afstandsnauwkeurigheid te onderzoeken werd een best passend vlak gecreëerd op basis van alle
geregistreerde punten van eenzelfde vlakje en werd dit vergeleken met een referentieafstand.
41
Metingen van de grijskaarten geven een significant verband aan tussen de helderheid van vlakken en
de gerealiseerde nauwkeurigheid. Opvallend is dat de afwijking voor wit groter is dan bij de lichtste
grijswaarden. Figuur 49 geeft de resultaten weergegeven. De gekleurde bladen leveren gelijkaardige
resultaten op. De afstandsfout neemt toe naarmate de kleur donkerder is.
Figuur 49: Afstandsnauwkeurigheid voor de verschillende grijswaarden (T. Voegtle et al., 2008)
In (Kersten, Sternberg, & Mechelke, 2005) werd onderzoek gedaan naar de nauwkeurigheid van de
terrestrische laserscanner Trimble Mensi GS100. In een deel van het onderzoek werd onderzocht wat
de invloed is van de oppervlakte-eigenschappen op de afstandsmeting.
Voor het onderzoek naar de invloed van kleuren en helderheidswaarden werden gekleurde bladen
(20cm x 20cm) van RAL-kleuren met gekende reflectiewaarden gemeten vanop 8m met een resolutie
van 3,2 millimeter. Ook hier tonen de tests aan dat vlakken met een lage LRV aanleiding geven tot een
lagere intensiteit van het gereflecteerde lasersignaal dan heldere oppervlakken met een hoge LRV.
Toch kan aan de hand van de resultaten geen duidelijk verband tussen de LRV en de geregistreerde
intensiteitswaarden aangetoond worden, maar wel een direct verband tussen de intensiteit en de
standaarddeviatie van een benaderend vlak. Bij een toename van intensiteit neemt de
standaarddeviatie af en vice versa. De reflectiviteit heeft dus effect op de kwaliteit van de resultaten
(Figuur 50).
42
Figuur 50: Verhouding van de intensiteit en standaarddeviatie (Kersten et al., 2005)
(Bucksch, Lindenbergh, & Van Ree, 2009) onderzochten de invloed van verzwakte intensiteit van het
teruggekaatste signaal op de scankwaliteit. Deze verzwakking wordt bepaald door de hoeveelheid
licht dat geabsorbeerd wordt door het gescande oppervlak. Voor de metingen is de opstelling Esser
Test Chart TE 109 gebruikt (Figuur 51). Het is een opstelling bestaande uit verschillende grijsvlakken
met gekende reflectiewaarden, gaande van een hoog reflectief wit tot sterk absorberend zwart vlak.
Het vlak werd loodrecht voor de scanner opgesteld op 4m afstand en de metingen zijn uitgevoerd met
een TLS Z&F Imager 5003 en de FARO HS880. De scanresolutie van de FARO HS880 is ongeveer dubbel
zo groot als deze van de Imager 5003.
Figuur 51: Esser Test chart TE 109 (Bucksch et al., 2009)
Figuur 52 en Figuur 53 geven een beeld van de geregistreerde intensiteit van de teruggekaatste
straling voor elk individueel gescand punt van de verschillende patches met respectievelijk de Imager
5003 en FARO LS 880. De kleur van de stippen geeft de intensiteit weer en verschilt duidelijk voor de
verschillende grijswaarden.
43
Figuur 52: Intensiteit van de gescande punten met de Imager 5003 (Bucksch et al., 2009)
Figuur 53: Intensiteit van de gescande punten met de Imager 5003 (Bucksch et al., 2009)
Tabel 5 geeft een overzicht van de geregistreerde resultaten voor beide onderzochte TLS. Uit het
percentage geregistreerde punten blijkt dat voor vlakken met lage reflectie (6 velvet) de meeste
punten verloren gaan, hoewel dit voor alle vlakken beperkt blijft. De intensiteit ligt duidelijk het hoogst
voor vlakken met de hoogste reflectie. Door de sterkere terugkaatsing wordt meer van de uitgezonden
energie gereflecteerd. De intensiteit neemt dan ook af bij afnemende reflectiviteit.
44
De laatste kolom geeft een indicatie van de afstand tussen het referentievlak en de patches. Uit die
resultaten is moeilijk een algemene trend te halen. De middelste grijswaarden leveren voor beide
scanners de nauwkeurigste resultaten op. De standaarddeviatie σ duidt op de spreiding van de punten
per patch. Algemeen geldt dat de onzekerheid op de afstand toeneemt bij een lagere reflectie en
bijgevolg ook een bij lagere intensiteit.
Tabel 5: Resultaten van de scans met de Imager 5003 en FARO LS880 (Bucksch et al., 2009)
In (Nguyen & Lui, z.d.) werden de verschillende foutenbronnen van een laserscan geanalyseerd. Eén
aspect daarvan had betrekking op de reflectiviteit. Het onderzoek bevestigt de meeste resultaten die
in andere praktische onderzoeken bekomen werden, namelijk dat reflectie duidelijk invloed heeft op
de kwaliteit, intensiteit en nauwkeurigheid van de afstandsmeting en dat hogere reflectiewaarden
betere resultaten opleveren.
45
3 PROBLEEMSTELLING
ROBLEEMSTELLING
De techniek van het terrestrisch 3D-laserscannen is niet meer weg te denken uit de landmeetkunde.
Bij terrestrische 3D-laserscanners bestaat echter een onzekerheid over de nauwkeurigheid en de
precisie van de geregistreerde individuele punten. Tijdens de meting wordt niet specifiek gericht op
een afzonderlijk punt maar wordt de nauwkeurigheid bepaald door een groot aantal geregistreerde
punten. Afwijkingen op de ware ligging van een individueel punt kunnen hierdoor moeilijk of zelfs
onmogelijk bepaald worden. (Boehler et al., 2003)
In praktijk bestaat de op te meten constructie vaak uit verschillende materialen en worden gedeelten
gescand met een variërende scangeometrie (Soudarissanane et al., 2011). Verder wordt gesteld dat
elke meting onderhevig is aan een groot aantal invloedsfactoren eigen aan de 3D-scanner, het te
scannen object, de meetomstandigheden en de omgeving (Nguyen & Lui, z.d.). Bestaande testen op
de verschillende types van terrestrische 3D-laserscanners tonen aan dat de positie- en
afstandsnauwkeurigheid en de precisie van de verkregen punten afhankelijk zijn van een groot aantal
factoren waaronder de afstand, de invalshoek van de laserstraal, de kleur en de reflectiviteit van het
te meten object. (Clark & Robson, 2011; Guihua et al., 2013; Pesci & Teza, 2008; Pfeifer et al., 2007b;
Soudarissanane et al., 2011; T. Voegtle et al., 2008)
Een directe vergelijking tussen de verschillende toestellen is moeilijk aangezien de technische
specificaties niet op een uniforme wijze aangeleverd worden door de fabrikanten en zelfs toestellen
van hetzelfde type van één fabrikant onderling afwijkingen kunnen vertonen. Aan deze problematiek
werden reeds verscheidene onderzoeken gewijd. (Fröhlich & Mettenleiter, 2012; Iavarone, 2002)
Een nadeel van het terrestrisch laserscannen is de tijdrovende dataverwerking. (Deruyter, Van
Quickelberghe, Nuttens, Stal, & De Wulf, 2013) gebruikten reeds een ‘quick-and-dirty’-methode. Bij
dergelijke methode wordt de puntenwolk zelf niet opgekuist maar gebeurd enkel een primitieve
modellering van het vlak.
Met de 3D-laserscanner die aangekocht werd door de Universiteit Gent, het Leica Scanstation C10,
werden reeds diverse tests uitgevoerd om de invloed van verscheidene paramaters op de scandata te
onderzoeken. De invloed van de afstand en invalshoek in functie van de reflectiviteit van materialen
op de scanresultaten van dit toestel werd nog niet onderzocht. Hierdoor kunnen de mogelijkheden en
de beperkingen van de 3D-laserscanner moeilijk ingeschat worden wanneer deze ingezet wordt in
specifieke praktische omstandigheden.
46
4 DOELSTELLING EN AFBAKENING
Het onderzoek beperkt zich tot het testen van de tijdsgebaseerde terrestrische 3D-laserscanner Leica
Scanstation C10.
Ten gevolge van het ontbreken van uniforme specificaties bestaat een onzekerheid op de
datakwaliteit die geleverd wordt door een terrestrische 3D-laserscanner. De technische fiche van het
gebruikte Leica Scanstation C10 spreekt over een gemoduleerde nauwkeurigheid van 2mm. De positie
van een gemodelleerd vlakje is echter afhankelijk van verschillende invloedsfactoren. Het doel van dit
onderzoek is de invloed van parameters zoals afstand, invalshoek van de laserstraal en reflectiviteit
van het object vast te stellen met als oogmerk het bepalen van de ideale scangeometrie en de
beperkingen van de specificaties na te gaan. De invloed van de reflectiviteit van een object op de
intensiteit van het teruggekaatste signaal wordt summier bestudeerd. Aangezien het modelleren van
oppervlakken een tijdrovend proces is, wordt gebruik gemaakt van een ‘quick-and-dirty’-methode.
Enkel ruis afkomstig van voorbijgangers en wagens zullen uit de scans gefilterd worden aangezien deze
een vertekend beeld van de puntenwolk veroorzaken.
Ook de precisie van black-and-white-targets wordt opgegeven door de fabrikant. Deze graad van
precisie wordt gegeven als 2mm standaarddeviatie. Een indicatie van de afstand en/of invalshoek
waaronder deze scans dienen te gebeuren werden niet voorzien in de fiche. Om in de praktijk
voldoende kwalitatieve scanresultaten te bekomen, is een richtlijn met beperkingen en/of
mogelijkheden in scangeometrie aan te raden.
Wegens de gelimiteerde praktische omstandigheden werd een beperkt aantal opstellingen uitgevoerd.
De opstellingen werden gekozen in functie van afstand en invalshoek. Met de toestelhoogte werd
tijdens de metingen geen rekening gehouden. Het onderzoek beperkt zich tot volgende opstellingen:
-
5m: 0°, 30°, 45° en 60°
-
25m: 0°, 30°, 45°, 60°
-
50m: 0°
-
75m: 0°, 30°, 45°, 60°
Elke opstelling bevatte vlakjes met vier verschillende graden van reflectiviteiten.
47
5 ONDERZOEKSMETHODE
5.1
Leica scanstation C10
Tabel 6: Technische specificaties
Instrumenttype
Positienauwkeurigheid
Afstandsnauwkeurigheid
Hoeknauwkeurigheid
Nauwkeurigheid gemoduleerd oppervlak
Golflengte laserstraal
Bereik
Spotgrootte
Scansnelheid
Field-of-view
Pulsscanner
6 mm
4 mm
60 µrad/60 µrad (12”/ 12”)
2 mm
532 nm (zichtbaar licht), groen
300m bij 90% albedo, 134m bij 18% albedo
Bij 0 – 50 m: 4.5 mm
7mm
Tot 50 000 punten/seconde
Horizontaal: 360°
Verticaal: 270°
Figuur 54: Leica Scanstation C10
5.2
Methode
Om de invloed van de afstand, de invalshoek en de reflectiviteit op de afstandsnauwkeurigheid te
onderzoeken werd een proefopstelling opgebouwd in een stabiele omgeving waar de intensiteit van
het omgevingslicht, de luchtvochtigheid en de temperatuur minimale schommelingen vertonen.
Hierdoor werden alle scans in gelijkaardige omstandigheden uitgevoerd. Dit was noodzakelijk om
onderling vergelijkbare resultaten te bekomen aangezien de metingen over verschillende dagen
gespreid werden.
48
De proefopstelling dient de invloed van de verschillende parameters afzonderlijk te kunnen
bestuderen. Om die reden werd geopteerd voor een verplaatsbaar bord dat vanop verschillende
afstanden en onder variërende hoeken opgesteld en gescand werd.
Drie ‘black-and-white’-targets (Figuur 55) werden met een laserprinter afgedrukt op zelfklevend
papier en werden rechtstreeks op het bord bevestigd. Rond elk ‘black-and-white’-target werden
verfstalen met verschillende ‘Light Reflectance Value (LRV)’ uit de ‘We Are Colour’-waaier van het
merk Boss Paints bevestigd. Deze stalen werden geselecteerd uit een enkele verfwaaier zodat de
oppervlaktekarakteristieken van elk staaltje dezelfde zijn en de LRV de enige variabele is. Twee gelijke
vlakjes werden schrijdelings bevestigd rondom de ‘black-and-white’-targets, zodat in totaal vier
verfstalen rond elk target hingen (Figuur 56). Voor elke verfstaal werd de albedowaarde bepaald met
behulp van de methode beschreven in 2.7.1.1 van dit werk.
Figuur 55: Black-and-white target (Leica Geosystems AG, 2014)
Figuur 56: Bord met targets en vlakjes
De toegekende nummering van de vlakjes werd verduidelijkt in Figuur 57 en Tabel 7. De rood
omkaderde vlakjes werden in de loop van het onderzoek toegevoegd om de oorspronkelijke vlakjes 1
en 2 te vervangen omwille van beschadigingen die hieraan werden aangebracht door onbekenden. De
vlakjes met nummer 5 en 6 werden buiten beschouwing gelaten, aangezien deze gebruikt zouden
worden om het effect van kleuren te onderzoeken. De bedoeling hiervan was om verder onderzoek
49
mogelijk te maken zonder dat hiervoor opnieuw het tijdrovend proces van de data acquisitie moet
doorlopen worden.
Figuur 57: Geplaatste targets met de verschillende vlakjes
Tabel 7: Eigenschappen van de kaartjes
Vlakje
1
2
3
4
Waaiernummer1
WE M07
WE Y43
WE Y44
WE M60
Verfnaam
Black night
Greyish brown
Silver white
White Cluster
LRV [%]
5,4
33,1
70,6
85,0
Albedo [%]
5,0
26,8
66,3
83,8
Het bord werd opgesteld op 5m, 25m, 50m en 75m van de scanner en met behulp van
driehoeksmeetkunde werd het bord gepositioneerd onder een hoek van 0°, 30°, 45° en 60° ten
opzichte van de scanner. Wanneer de richting van de scanner loodrecht invalt op het bord werd
gesproken van 0°. De invloed van de invalshoek werd niet onderzocht op 50m. Er werden in totaal 13
verschillende opstellingen gescand (Tabel 8).
Tabel 8: Uitgevoerde opstellingen
Invalshoek
[°]
Afstanden [m]
1
0
30
45
60
5
25
50
75
/
/
/
WE staat voor de ‘We Are Colour’- kleurenwaaier van Boss Paints
50
Figuur 58: Invalshoeken ten opzichte van de scanner
Voor het scannen van de kaartjes werd eerst een lage resolutiescan van de volledige omgeving
uitgevoerd waarin het scangebied, namelijk het bord met de kaartjes, afgebakend werd (Figuur 59).
Op de laptop die in verbinding stond met de scanner werd op basis van gegevens uit de ruwe scan een
‘script’ (Figuur 60) opgesteld om de data acquisitie te automatiseren.
Figuur 59: Afbakenen van het te scannen gebied
51
Figuur 60: Voorbeeld van een script
De scans werden uitgevoerd met een resolutie van 1mm (Figuur 61). Op die manier werd om de
millimeter, zowel in horizontale als in verticale richting, een punt geregistreerd waardoor een
puntenwolk met hoge dichtheid verkregen werd. Hoewel de resolutie ingesteld werd op 1x1 mm,
wordt die niet overal gehaald. De gehaalde resolutie kan berekend worden aan de hand van de ptxen pts-bestanden die geëxporteerd worden uit Cyclone.
Figuur 61: Bepalen van de resolutie
Vervolgens werden van elk ‘black-and-white’-target tien afzonderlijke targetscans uitgevoerd. Voor
het scannen van de ‘black-and-white’-targets diende de scanner handmatig ingesteld te worden. Bij
grotere afstanden, vanaf 50m, en grotere invalshoeken bleek het scannen van de ‘black-and-white’targets niet meer mogelijk en werd de methode aangepast. De drie kleinere ‘black-and-white’-targets
tussen de vlakjes werden vervangen door vier grotere, aangebracht in de hoeken van het bord (Figuur
62). Van elk van deze targets werden per opstelling eveneens tien targetscans uitgevoerd.
52
Figuur 62: Bord met vlakjes en 4 extra targets
5.3
Verwerking van de scans
De verwerking van de verkregen puntenwolken gebeurde in Leica Cyclone 8.0. De statistische
verwerkingen gebeurden in Microsoft Office Excel en in SPSS Statistics 20 van IBM.
Positienauwkeurigheid van de
de targetscans
Van elk ‘black-and-white’-target werden 10 targetscans uitgevoerd. Deze scans worden volgens de
specificaties van het Leica scanstation nauwkeuriger uitgevoerd dan gewone scans. Met behulp van
het verwerkingsprogramma Cyclone 8.0 werden de geregistreerde coördinaten geëxporteerd waaruit
de gemiddelde coördinaten berekend werden met Excel. Deze gemiddelde waarden werden
beschouwd als de ‘juiste’ coördinaten van de targets binnen het lokale XYZ-coördinatenstelsel voor
de bepaling van de nauwkeurigheid van de positiebepaling van de gemodelleerde oppervlakken.
Voor elk target werd de standaardafwijking op de positie en op de X-, Y- en Z-coördinaat berekend.
Om na te gaan of de standaardafwijking op de positie met de standaardformule in Excel correct
berekend werd, werd dit gecontroleerd met behulp van de wet op foutenvoortplanting. De formule
in Excel is immers een vereenvoudiging waar geen rekening gehouden wordt met verticale en
horizontale hoeken. Hieruit bleek dat amper verschil, grootteorde 10-6mm, in de resultaten op te
merken was. De standaardafwijkingen in Excel konden hierdoor allemaal met de standaardformule
‘STDEV’ berekend worden. De controleberekening bevindt zich in bijlage 3.
De gegevens van de targetscans werden op een statistische wijze geanalyseerd met de software SPSS
Statistics 20 om de betrouwbaarheid van de data te controleren. De belangrijkste statistische
grootheden en de normaalverdeling van de gegevens werden bestudeerd.
53
Voor elk target werd de normaalverdeling aan de hand van de Kolmogorov-Smirnovtest (KS-test)
onderzocht voor de X-, de Y- en de Z-coördinaat. Bijlage 4 bevat de resultaten die bekomen werden
voor één target.
Naast de verdeling zijn de belangrijkste statistische grootheden berekend en weergegeven in tabellen.
De onderzochte grootheden worden hier toegelicht op basis van de helpfunctie van SPSS en één
volledig resultaat is terug te vinden in bijlage 5.
-
Gemiddelde (‘mean’): het rekenkundig gemiddelde van de waarden bekomen door de
sommatie van al de resultaten en dit te delen door het aantal waarden
-
95% betrouwbaarheidsinterval (‘95% confidence interval’): geeft de boven- en ondergrens
van het gebied waarin het gemiddelde met 95% zekerheid ligt
-
Mediaan (‘median’): de middelste waarde of het gemiddelde van de twee middelste
waarnemingen van de geordende resultaten
-
Standaarddeviatie (‘std. deviation’): de vierkantswortel uit de variantie (= Is de som van het
kwadratisch verschil van elke waarde ten opzichte van het gemiddelde, gedeeld door het
aantal waarnemingen.) en is een maat voor de spreiding
-
Minimum: de laagste vastgestelde waarde
-
Maximum: de hoogste vastgestelde waarde
-
Bereik (‘range’): het verschil tussen de kleinste en de grootste waarde en een maat voor de
spreiding van de resultaten
-
Scheefheid (‘skewness’): drukt de (a)symmetrie van de verdeling uit. Een waarde tussen 1 en
-1 duidt op symmetrie, 0 is het ideale. Een waarde kleiner dan -1 duidt op scheefheid met de
hoogste waarde verschoven naar rechts, een waarde groter dan 1 duidt op een verschuiving
naar links
-
Steilheid (‘kurtosis’): een maat voor de steilheid van de verdeling. Een hoge waarde leidt tot
een sterke piek van de grafiek en betekent dat de grafiek sterkt bepaald wordt door extreme
waarden. Een lagere waarde duidt op een grafiek die meer afgevlakt is en sterker bepaald
wordt door een grotere hoeveelheid minder extreme waarden
Invloed van de reflectiviteit, afstand en invalshoek op de geregistreerde afstand
De 30 scans van de kaartjes werden door middel van één ‘script’ uitgevoerd waardoor de
puntenwolken in één ‘scanworld’ samengevoegd werden. Elke puntenwolk werd op één afzonderlijke
laag geplaatst en deze kregen de naam ‘PWxx’ waarbij xx gaat van ‘01’ tot en met ‘30’.
54
Vervolgens werden alle lagen gelijktijdig zichtbaar gemaakt en werden uit alle puntenwolken gelijke
stukken uit de vlakjes gesneden. Hierbij werd niet het volledige vlakje uitgeknipt. De randen werden
buiten beschouwing gelaten omdat deze vatbaarder zijn voor fouten. De randen van de kaartjes
kunnen loskomen of het ‘mixed-edge’-effect kan optreden (Figuur 63).
Figuur 63: Knippen van de vakjes met aantonen van het ‘mixed edge’-probleem
Voor elke puntenwolk werden vier nieuwe lagen aangemaakt, namelijk ‘PWxxV1’, ‘PWxxV2’, ‘PWxxV3’
en ‘PWxxV4’. De nummering van de vakjes loopt gelijk met de toegekende nummers uit Figuur 57. De
uitgesneden vlakjes werden per koppel vervolgens op een aparte laag geplaatst.
Elke laag werd afzonderlijk zichtbaar gemaakt en uit de punten van de twee zichtbare puntenwolken
werd een best passend vlak, ofwel ‘patch’, gecreëerd (Figuur 64). Dit gecreëerde vlak werd gebruikt
als basis voor de onderzoeken naar de afstandsnauwkeurigheid.
Figuur 64: Creëren van een 'patch'
55
Om dit te onderzoeken werden twee methodes toegepast. De resultaten werden daardoor niet
beïnvloed waardoor de waarden onderling vergelijkbaar bleven. Bij de eerste methode werd
rechtstreeks gewerkt met de gemiddelde coördinaten van de targets. Dit was het geval voor de
metingen waarbij de ‘black-and-white’-targets tussen de vlakjes bruikbaar waren. De gemiddelde
coördinaten van de targets werden ingevoerd in de ‘scanworld’ van de vlakjes. Op basis van de
coördinaat werd de afstand berekend tot het best passende vlakje van de puntenwolken (Figuur 65).
Van deze afstanden werd het gemiddelde, het minimum, het maximum, het verschil tussen de
extrema, de mediaan en de standaardafwijking bepaald in Excel. Verder werd visueel gecontroleerd
of de ‘patch’ voor of achter het target lag om na te gaan in welke richting de geregistreerde afstand
beïnvloed werd.
Figuur 65: Meten van het afstandsverschil tussen patch en target
De tweede methode werd toegepast voor de metingen waarbij vier targets op de hoeken van het bord
gebruikt werden. Het principe bleef hetzelfde. Er werd nog steeds een afstandsmeting uitgevoerd
tussen de ‘patches’ en een nauwkeurig bepaald referentiepunt. Om dit referentiepunt te creëren werd
ook hier uitgegaan van de gemiddelde coördinaten van de targets. De diagonaal tegenover elkaar
liggende targets werden met elkaar verbonden door middel van een polylijn. De plaats waar deze twee
56
verbindingslijnen elkaar snijden werd gebruikt om een referentiepunt in te voegen (Figuur 66).
Figuur 66: Meten van de afstand bij 4 targets
Tenslotte werd de ligging van de verschillende ‘patches’ ten opzichte van het bord gecontroleerd door
een vlak te creëren met de vier targets als hoekpunten (Figuur 66) waaruit vervolgens een ‘patch’
gecreëerd werd als referentievlak. De ligging van de ‘patches’ ten opzichte van het referentievlak werd
visueel gecontroleerd (Figuur 67). De verdere verwerking van de resultaten verliep gelijkaardig aan
deze van de eerste methode.
Figuur 67: Positie van de patches ten opzichte van het referentievlak
Intensiteit
De intensiteit van de verkregen data uit de puntenwolk geeft een indicatie van de graad van
reflectiviteit van het materiaal. De intensiteit werd rechtstreeks uit de data van de puntenwolken
57
gehaald. Nadat de correcte vlakken uitgeknipt werden in Cyclone werd per opstelling een duo
puntenwolken van elke reflectiviteit geëxporteerd. De export kon gebeuren op basis van een ptxbestand of een pts-bestand. De bestanden kunnen meerdere puntenwolken bevatten en indien een
registratie van de gegevens gebeurde bevat het bestand ook de transformatiematrix. Cyclone
exporteert een ptx-bestand in zeven kolommen: x, y, z, intensiteit, rood, groen en blauw. Aangezien
met het Leica Scanstation C10 geen RGB-waarden geregistreerd worden, bestond het uitgelezen ptxbestand uit slechts vier kolommen. Intensiteiten werden weergegeven in het interval [0,1]. In een ptxbestand worden tevens de punten weergegeven waar geen signaal werd van ontvangen, deze worden
weergegeven als een lijn met (0,0,0) als coördinaten. Deze lijnen worden bij een pts-bestand niet
opgenomen, waardoor dit bestand enkel de geregistreerde punten bevat. In een pts-bestand wordt
de intensiteit niet decimaal weergegeven, maar de gegeven waarde kan omgezet worden door te
sommeren met 2048 en dit getal te delen door 4096.
Verder onderzoek zou aan de hand van deze gegevens de resolutie van het te scannen oppervlak
kunnen vastleggen.
58
6 ONDERZOEKSRESULTATEN
6.1
Onderzoek naar de precisie van blackblack-andand-whitewhite-targets
De standaarddeviatie op een targetscan is volgens de technische specificaties van 2mm (Figuur 68).
Figuur 68: Technische specificaties van het Leica Scanstation C10
Aangezien de bekomen waarde voor de targetpositie niet kon vergeleken worden met een
referentiewaarde van hogere orde, werd de gemiddelde target positie gebruikt als ‘juiste’
referentiepositie voor het bepalen van de nauwkeurigheid van de positie van de gemodelleerde
vlakken.
Ten gevolge van de wijziging in de methode, namelijk de vier grote targets in plaats van de drie
kleintjes, waren niet alle scans onderling compatibel om elke invloed van afstand en invalshoek te
analyseren. Wanneer de eerste methode (drie kleine targets) gebruikt werd, werd dit aangegeven met
behulp van ‘(a)’. Het bijvoegsel ‘(b)’ duidt op de tweede methode met behulp van de vier grote targets.
Uit de resultaten bleek dat de standaardafwijking op de Z-coördinaat de grootste invloed uitoefent op
de standaardafwijking van de positie. De Z-coördinaat werd bijgevolg als het ‘zwakke’ punt van de 3Dlaserscanner beschouwd. Dit heeft naar alle waarschijnlijkheid met de mechanische beweging voor de
verticale hoekmeting te maken. Deze invloed werd voor elke target bekeken, maar is verder niet van
belang voor het verdere onderzoek. De grafieken die dit effect verduidelijken werden in bijlage 6 van
dit onderzoek bijgevoegd ter illustratie.
59
Invloed van de afstand
6.1.1.1
Invalshoek
Invalshoek 0°
Tabel 9: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 0°
Standaardafwijking op de positie van de targets [mm]
Standaardafwijking op de positie van de
targets [mm]
Target 1(a)
Target 2(a)
Target 3(a)
5m
0,43
0,45
0,42
25m
1,14
1,25
0,91
50m
1,69
2,25
3,68
75m
3,16
3,64
/
Invloed van de afstand op de precisie van de posities
van targets bij invalshoek 0°
4,00
3,50
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
5
25
50
75
Afstand [m]
Target 1 (a)
Target 2 (a)
Target 3 (a)
Figuur 69: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 0°
Bij de drie targets werd een gelijkaardig verloop van de precisie in functie van de afstand vastgesteld
waarbij de standaardafwijkingen toenamen naarmate de afstand groter werd.
Bij 5m en 25m lagen de afwijkingen voor elk target lager dan 2mm. Vanaf 50m werd de gespecificeerde
standaardafwijking niet meer gegarandeerd en werden dus afwijkingen groter dan 2mm vastgesteld.
Er deed zich tevens een grotere spreiding in de resultaten voor. Bij 75m voldeed geen enkel target aan
de technische specificaties van het toestel. In praktische omstandigheden worden de targetscans best
uitgevoerd op een korte tot middellange afstand. Verder onderzoek dient te bepalen tot welke afstand
een voldoende precisie van de targetscans gegarandeerd kan worden. Afstanden van 75m en meer
dienen vermeden te worden.
60
6.1.1.2
Invalshoek 45°
Tabel 10: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 45°
Standaardafwijking op de positie van de targets
[mm]
5m
0,46
0,40
0,86
0,49
Standaardafwijking op de positie van de
targets [mm]
Target 1(b)
Target 2(b)
Target 3(b)
Target 4(b)
25m
0,61
0,78
0,60
0,58
75m
1,89
1,52
2,22
1,18
Invloed van de afstand op de precisie van de
posities van targets bij invalshoek 45°
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
5
25
75
Afstand [m]
Target 1 (b)
Target 2 (b)
Target 3 (b)
Target 4 (b)
Figuur 70: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 45°
Bij 5m lag de precisie van de positiebepaling het hoogst en bij 25m werd bij de meeste targets een
kleine afname van de precisie vastgesteld, enkel voor target 3 was dit niet het geval. Zowel bij 5m als
bij 25m voldeed de standaarafwijking bij elk target aan de voorschriften van het Leica Scanstation C10.
Onder een invalshoek van 45° kunnen bijgevolg voldoende nauwkeurige targetscans uitgevoerd
worden op deze afstanden.
Bij 75m kon de voorgeschreven precisie niet meer verzekerd worden. Bij de drie targets werd een
standaardafwijking bekomen die beneden 2mm lag, maar target 3 voldeed met een
standaardafwijking van 2,22mm niet aan de technische voorschriften.
Praktisch werd tot de richtlijn gekomen dat onder een invalshoek van 45° een korte tot middellange,
tot zeker 25m, afstand de beste precisie opleverd.
61
6.1.1.3
Invalshoek 60°
Tabel 11: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 60°
Standaardafwijking op de positie van de targets
[mm]
5m
0,56
0,53
0,63
0,46
Standaardafwijking op de positie van de
targets [mm]
Target 1(b)
Target 2(b)
Target 3(b)
Target 4(b)
25m
0,71
0,75
0,72
0,47
75m
2,00
1,59
0,99
1,92
Invloed van de afstand op de precisie van de
posities van targets bij invalshoek 60°
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
5
25
75
Afstand [m]
Target 1 (b)
Target 2 (b)
Target 3 (b)
Target 4 (b)
Figuur 71: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 60°
De trends bij een invalshoek van 45° en 60° zijn vergelijkbaar. De kleinste standaardafwijkingen
werden bekomen bij 5m en deze namen toe bij 25m. Naarmate de afstand opliep tot 75m nam de
precisie af maar de gespecificeerde nauwkeurigheid werd bij geen enkel target overschreden.
62
Invloed van de invalshoek
6.1.2.1
Afstand 5m
Tabel 12: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 5m
Standaardafwijking op de positie van de targets
[mm]
30°
0,41
0,47
0,45
0,36
Standaardafwijking op de positie van de
targets [mm]
Target 1(b)
Target 2(b)
Target 3(b)
Target 4(b)
45°
0,46
0,40
0,86
0,49
60°
0,56
0,53
0,63
0,46
Invloed van de invalshoek op de precisie van de
posities van targets bij afstand 5m
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3Dlaserscanner [°]
Target 1 (b)
Target 2 (b)
Target 3 (b)
Target 4 (a)
Figuur 72: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 5m
Voor elke invalshoek werd de gespecificeerde precisie van 2mm behaald. Er viel geen duidelijke trend
af te leiden uit de resultaten. De precisie varieerde in functie van de invalshoek voor elk target op een
andere manier.
De onderlinge verschillen tussen de hoeken waren beperkt. Enkel de precisie van target 3 bij 45° lag
een stuk hoger in vergelijking met de overige standaardafwijkingen. Dit werd aan toeval of aan
trillingen van voorbijrijdende wagens geweten omdat zo slechts één vaststelling werd gedaan. De
gespecificeerde standaardafwijking werd bovendien niet overschreden. Targetscans mogen tot zeker
een invalshoek van 60° op een afstand van 5m plaatsvinden.
63
6.1.2.2
Afstand 75m
Tabel 13: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 75m
Standaardafwijking op de positie van de targets
[mm]
30°
2,12
1,07
1,79
0,87
Standaardafwijking op de positie van de
targets [mm]
Target 1(b)
Target 2(b)
Target 3(b)
Target 4(b)
45°
1,89
1,52
2,22
1,18
60°
2,00
1,59
0,99
1,92
Invloed van de invalshoek op de precisie van de
posities van targets bij afstand 75m
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3Dlaserscanner [°]
Target 1 (b)
Target 2 (b)
Target 3 (b)
Target 4 (a)
Figuur 73: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 75m
Bij de scans vanop 75m nam de precisie duidelijk af in vergelijking met kortere afstanden. De
verschillen tussen de waarden bij eenzelfde hoek werden echter groter wat wijst op een grotere
spreiding in de resultaten. De voorgeschreven precisie werd in de meeste gevallen gerealiseerd, zelfs
bij een invalshoek van 60° waar geen enkel target de 2mm overschreed. Bij 45° en 30° overschreed
telkens één target de technische voorschriften.
6.2
Onderzoek naar de intensiteit
In onderstaande tabellen werd de intensiteit van het ontvangen signaal weergegeven wat een
indicatie geeft van de reflectiviteit van het materiaal. De gegevens werden verkregen op basis van een
pts-bestand. Er wordt opgemerkt dat slechts één puntenwolk per opstelling onderzocht werd.
64
Invloed van de afstand
Een samenvattende tabel geeft bij deze bespreking een duidelijker overzicht van de trends die zich
voordoen binnen de intensiteitsgegevens. Hierdoor werd geopteerd om ze niet verder uit te splitsen
per invalshoek. Voor de grafieken werd wel een onderverdeling gemaakt. Aangezien alle grafieken
beschikken over een gelijkaardig verloop werden ze niet afzonderlijk besproken, maar werd
onmiddellijk overgegaan naar een algemene conclusie.
Tabel 14: Samenvattende tabel: intensiteit – invloed van de afstand
Hoek [°]
Afstand [m]
5
25
50
75
5
25
75
0
30
45
60
Ontvangen intensiteit [-]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
5,0% albedo 26,8% albedo
0,24
0,39
0,24
0,38
0,20
0,24
0,17
0,20
0,15
0,29
0,16
0,30
0,09
0,18
Vlakje 3:
66,3% albedo
0,62
0,62
0,38
0,24
0,55
0,54
0,22
Vlakje 4:
83,8% albedo
0,68
0,68
0,42
0,26
0,61
0,61
0,23
5
0,14
0,25
0,47
0,53
25
0,15
0,26
0,47
0,52
75
0,12
0,17
0,21
0,22
5
0,13
0,23
0,37
0,42
25
0,13
0,23
0,38
0,43
75
0,12
0,16
0,19
0,20
Intensiteit [-]
Invloed van de afstand op de intensiteit bij
invalshoek 0°
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
5
25
50
75
Afstand [m]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 74: Intensiteit - invalshoek 0°
65
Invloed van de afstand op de intensiteit bij
invalshoek 30°
0,7
Intensiteit [-]
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
5
25
75
Afstand [m]
5,0
Albedo [%]:
26,8
66,3
83,8
Figuur 75: Intensiteit - invalshoek 30°
Invloed van de afstand op de intensiteit bij
invalshoek 45°
0,6
Intensiteit [-]
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
5
25
75
Afstand [m]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 76: Intensiteit - invalshoek 45°
66
Invloed van de afstand op de intensiteit bij
invalshoek 60°
0,5
Intensiteit [-]
0,4
0,3
0,2
0,1
0
5
25
75
Afstand [m]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 77: Intensiteit - invalshoek 60°
6.2.1.1
Conclusie
Hoe reflectiever het vlakje (hogere albedowaarde), hoe hoger de intensiteit van de teruggekaatste
laserstraal. De intensiteiten die terug ontvangen werden vanaf 5m en 25m zijn quasi gelijk, met een
maximaal verschil van 0,1mm onderling. Deze bewering is geldig voor alle onderzochte
reflectiviteitswaarden. 50m (invalshoek 0°) en 75m leverden lagere ontvangen intensiteiten op. Het
verval was het sterkt bij de hoogste reflectiviteiten. Bij toenemende invalshoek daalt het verval en het
verschil in grootte van verval neemt daarmee onderling ook af tussen de lage en hoog reflectiegraden.
Invloed van de invalshoek
Tabel 15: Samenvattende tabel: intensiteit – invloed van de invalshoek
Hoek [°]
Afstand [m]
0
5
25
75
Ontvangen intensiteit [-]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
5,0% albedo
26,8% albedo
0,24
0,39
Vlakje 3:
66,3% albedo
0,62
Vlakje 4:
83,8% albedo
0,68
30
45
0,15
0,14
0,29
0,25
0,55
0,47
0,61
0,53
60
0
30
45
0,13
0,24
0,16
0,15
0,23
0,38
0,30
0,26
0,37
0,62
0,54
0,47
0,42
0,68
0,61
0,52
60
0,13
0,23
0,38
0,43
0
0,17
0,20
0,24
0,26
30
0,09
0,18
0,22
0,23
45
0,12
0,17
0,21
0,22
60
0,12
0,16
0,19
0,20
67
Opnieuw zorgt de samenvattende tabel voor een beter overzicht op de resultaten waardoor enkel
voor de grafieken voor een verdere opsplitsing per invalshoek gekozen werd.
Intensiteit [-]
Invloed van de invalshoek op de intensiteit bij
afstand 5m
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3D-laserscanner [°]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 78: Intensiteit – afstand 5m
Intensiteit [-]
Invloed van de invalshoek op de intensiteit bij
afstand 25m
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3D-laserscanner [°]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 79: Intensiteit – afstand 25m
68
Invloed van de invalshoek op de intensiteit bij
afstand 75m
Intensiteit [-]
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3D-laserscanner [°]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 80: Intensiteit - afstand 75m
6.2.2.1
Conclusie
De grafieken vertoonden een gelijkaardig verloop waarbij het verloop op 75m een licht gewijzigd
uitzicht heeft voor een reflectiewaarde van 5,0%. Bij de hogere reflectiviteiten werden de hoogste
intensiteiten gemeten. De intensiteit die ontvangen werd, daalde met de invalshoek. De enige
meetwaarde die daarop een uitzondering vormde, is de intensiteitsmeting van 5,0% albedo met een
invalshoek van 30° op 75m. In functie van de intensiteit werd daarom een invalshoek van 0°, volgens
de normaal van het vlak, als optimaal beschouwd. Het verval van intensiteit is het sterkst bij hogere
reflectiviteiten. Op grote afstanden is het verval tussen de reflectiviteiten onderling veel kleiner in
vergelijking met de kleine en middellange afstanden.
Tenslotte werd opgemerkt dat de grafiek van 5m en 25m quasi dezelfde zijn. Een later onderzoek zou
aan de hand van deze resultaten een model kunnen opstellen om tot de ideale scanomstandigheden
en –positie te komen. Vanaf 25m wijzigt de invloed van de invalshoek minimaal. Bij de metingen op
75m is het onderling verschil van de intensiteiten tussen de reflectiviteit kleiner in vergelijking met de
metingen op 5m en de 25m.
69
Invloed van de reflectiviteit
Invloed van de afstand
Intensiteit [-]
Invloed van de reflectiviteit op de intensiteit bij
invalshoek 0°
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Afstand [m]:
5
25
50
75
Figuur 81: Intensiteit – invalshoek 0°
Invloed van de reflectiviteit op de intensiteit bij
invalshoek 30°
0,7
Intensiteit [-]
6.2.3.1
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 82: Intensiteit – invalshoek 30°
70
Invloed van de reflectiviteit op de intensiteit bij
invalshoek 45°
0,6
Intensiteit [-]
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 83: Intensiteit – invalshoek 45°
Invloed van de reflectiviteit op de intensiteit bij
invalshoek 60°
Intensiteit [-]
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 84: Intensiteit – invalshoek 60°
6.2.3.1.1
Conclusie
Uit deze grafieken blijkt dat voor elke invalshoek de metingen op 5m en 25m voor elke invalshoek
dezelfde intensiteitswaarden opleveren. Metingen op 75m werden geregistreerd met een lagere
intensiteitswaarde. Hoe hoger de reflectiviteit, hoe hoger de intensiteit.
71
Invloed van de invalshoek
Intensiteit [-]
Invloed van de reflectiviteit op de intensiteit bij
afstand 5m
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 85: Intensiteit – afstand 5m
Invloed van de reflectiviteit op de intensiteit bij
afstand 25m
Intensiteit [-]
6.2.3.2
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 86: Intensiteit - afstand 25m
72
Invloed van de reflectiviteit op de intensiteit bij
afstand 75m
0,3
Intensiteit [-]
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 87: Intensiteit - afstand 75m
6.2.3.2.1
Conclusie
Bevindingen die eerder vermeld werden, werden opnieuw vastgesteld. De intensiteit daalt in functie
van de invalshoek waardoor een invalshoek van 0° als optimaal beschouwd wordt. Hoge reflecterende
oppervlakken leveren hogere intensiteitswaarden. Hoog reflectieve materialen vertonen een groter
verval in intensiteit. Dit blijkt vooral uit de grafieken voor 5m en 25m.
6.3
Aantal geregistreerde punten
Tabel 16: Samenvattende tabel - aantal geregistreerde punten
Hoek [°]
0
30
45
60
Aantal punten waarop patch berekend werd
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Afstand [m]
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
5
6530
6670
6577
25
5234
5006
4781
50
4574
5529
4514
75
4221
4745
4477
5
3227
3314
2668
25
3440
3357
3966
75
155
2920
3502
5
3765
3804
3436
25
3166
3370
2627
75
112
3925
3000
5
1608
1566
1891
25
2555
2730
2149
75
70
2741
2265
Vlakje 4:
83,8% albedo
4134
4857
4567
5186
2913
4123
3047
3313
3184
3754
1962
2556
2605
73
Aangezien de kaartjes niet uitgesneden werden volgens een vaste grootte van vlakje is de tabel enkel
een indicatie van het aantal punten dat zich in de puntenwolk bevonden om het best passende vlak
te berekenen. Een algemene trend die opgemerkt werd is de dalende grootteorde van punten met de
invalshoek. Opmerkelijke resultaten werden bekomen voor vlakje 1, het donkerste oppervlak.
Wanneer deze gescand worden op een afstand van 75m onder een invalshoek vanaf 30° worden nog
amper punten geregistreerd (Figuur 88). Deze resultaten worden bijgevolg verwaarloosd in het
verdere onderzoek wegens te lage betrouwbaarheid.
Figuur 88: Puntenwolk met klein aantal geregistreerde punten bij donkere vlakken
6.4
Invloed van de reflectiviteit, afstand en invalshoek op de geregistreerde afstand
Figuur 89: Technische specificaties van het Leica Scanstation C10
Volgens de specificaties halen gemodelleerde oppervlakken een nauwkeurigheid van 2mm. Een patch
wordt beschouwd als een gemodelleerd oppervlak waardoor deze specificatie in het onderzoek als
grens aangenomen wordt.
Er wordt telkens eerst een samenvattende tabel voorzien, welke opgesplitst wordt om de
verschillende invloeden duidelijk te maken. Bijhorend bij elke opsplitsing werd een grafische
voorstelling gemaakt. De grafieken worden hier eerst afzonderlijk besproken. De algemene trends die
zich voordeden in de resultaten worden samengevat in het besluit.
74
Invloed van de afstand
afstand
6.4.1.1
Invloed van de afstand op de nauwkeurigheid
Er wordt een onderscheid gemaakt tussen nauwkeurigheid, juistheid en precisie. Juistheid is de mate
van overeenstemming tussen de gemiddelde waarde die verkregen werd uit een reeks waarnemingen
en de werkelijke waarde. Precisie duidt op de spreiding van de gemeten waarden. Nauwkeurigheid is
de graad van overeenstemming tussen het gemiddelde van de metingen en de werkelijke waarde van
de grootheid. Hoe kleiner de afwijking, hoe nauwkeuriger de meting. Een nauwkeurige meting is juist
en precies. Aangezien de fabrikanten de nauwkeurigheid specifiëren, wordt verder gebruik gemaakt
van de term nauwkeurigheid en niet van de term juistheid. Uit de definities blijkt immers dat beide
termen duidelijke overeenkomsten vertonen.
6.4.1.1.1
Algemeen
Tabel 17: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invloed van de afstand
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
Hoek [°]
Afstand [m]
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
5
1,9
1,0
0,7
0,4
25
1,9
1,1
0,6
0,3
0
50
1,6
2,3
1,0
0,8
75
2,2
1,0
1,8
1,5
5
2,4
2,0
1,4
1,0
30
25
1,2
1,1
0,5
0,2
75
4,2
2,0
1,2
1,2
5
1,9
1,8
1,1
0,9
45
25
1,5
2,3
1,5
1,4
75
2,4
1,1
0,7
0,7
5
1,5
1,5
1,0
0,9
60
25
1,4
1,7
1,0
1,0
75
0,8
2,0
1,4
1,2
6.4.1.1.2
Invalshoek 0°
Tabel 18: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 0°
5m
25m
50m
75m
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
1,9
1,0
0,7
0,4
1,9
1,1
0,6
0,3
1,6
2,3
1,0
0,8
2,2
1,0
1,8
1,5
75
Gemiddelde van de absolute afstanden
tussen de patch en de gemiddelde target
[mm]
Invloed van de afstand op de nauwkeurigheid van
de geregistreerde afstand bij invalshoek 0°
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
5
25
50
75
Afstand [m]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 90: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 0°
Bij de metingen vanop 5m en 25m lagen de gemiddelde afwijkingen van alle vlakjes tot het
referentiepunt lager dan de specificaties. Deze metingen leverden gelijkaardige resultaten op met
een maximaal verschil van 0,1mm.
Bij 50m overschreed de gemiddelde afwijking de voorgeschreven nauwkeurigheid voor vlakje 2. Op
basis van het berekende 95%-betrouwbaarheidsinterval (BI) werd gesteld dat de theoretische
nauwkeurigheid overschreden werd. Bij 75m daalt het afstandsverschil voor dit vlakje opnieuw onder
2mm. Een verklaring hiervoor is moeilijk te vinden. Bij 75m overschreed vlakje 1 de theoretische
waarde.
De afstandsnauwkeurigheden van vlakje 3 en 4 voldeden aan de verwachtingen, de nauwkeurigheid
neemt af in functie van de afstand. De hoge reflectiviteiten haalden de specificaties voor elke gemeten
afstand.
Na het analyseren van de minimum en maximum waarden (Tabel 19) van de individuele metingen kon
besloten worden dat de minimum waarde enkel de 2mm overschreed bij 50m voor vlakje 2. Bij elke
individuele meting werd dus telkens de gespecificeerde nauwkeurigheid overschreden. Uit de
maximale waarden werd opgemerkt dat voor vlakje 1 op elke afstand hogere waarden geregistreerd
werden. Voor een albedowaarde van 5,0% zijn afwijkingen van 2mm bijgevolg niet uit te sluiten. Uit
de minima en maxima is verder een dalende trend af te leiden met stijgende reflectiviteit. Op 75m
afstand werden voor elke albedowaarden hogere waarden opgemerkt, waardoor voldoende
kwalitatieve meetresultaten op deze afstand niet meer gegarandeerd worden.
76
Tabel 19: Minima, maxima en medianen - invalshoek 0°
Afstand [m]
5
25
50
75
6.4.1.1.3
Absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Albedo [%]
Minimum
Maximum
Verschil
5,0
1,4
2,5
1,1
26,8
0,5
1,9
1,4
66,6
0,2
1,4
1,2
83,8
0,0
1,0
1,0
5,0
1,6
2,3
0,7
26,8
0,7
1,4
0,7
66,6
0,2
0,8
0,6
83,8
0,0
0,6
0,5
5,0
1,4
2,0
0,6
26,8
2,1
2,7
0,6
66,6
0,8
1,4
0,6
83,8
0,6
1,3
0,6
5,0
1,5
2,9
1,5
26,8
0,3
1,7
1,4
66,6
1,3
2,5
1,3
83,8
0,9
2,1
1,2
Mediaan
1,7
0,6
0,4
0,1
1,9
1,1
0,6
0,3
1,6
2,3
1,0
0,8
2,1
0,9
1,8
1,4
Invalshoek 30°
Tabel 20: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 30°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
2,4
2,0
1,4
1,0
1,2
1,1
0,5
0,2
4,2
2,0
1,2
1,2
Gemiddelde van de absolute
afstanden tussen de patch en de
gemiddelde target [mm]
5m
25m
75m
Invloed van de afstand op de nauwkeurigheid
van de geregistreerde afstand bij invalshoek 30°
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
5
25
75
Afstand [m]
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedo [%]:
Figuur 91: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 30°
77
De grafiek toont een gelijkaardig verloop voor de verschillende vlakjes. Dit toont aan dat de
nauwkeurigheid steeg met de reflectiviteit, waarbij de twee vlakjes met de hoogste reflectiviteit op
eender welke afstand onder de gegeven gemodelleerde nauwkeurigheid blijven. Bij 5m werd voor
vlakje 1 reeds een afwijking groter dan 2mm vastgesteld. Voor vlakje 2 was dit eveneens het geval
maar het 95%-BI toont dat dit aan toeval te wijten is. Bij 75m werden gelijkaardige vaststellingen
gedaan als deze bij 5m. De afwijking van vlakje 1 is aanzienlijk bij 75m. Dit verschil is opmerkelijk ten
opzichte van de resultaten bij andere afstanden. In het aantal gescande punten (6.3) werd echter
opgemerkt dat het aantal punten opmerkelijk lager ligt in vergelijking met de andere vlakjes. Deze
waarde werd hierdoor niet verder in beschouwing genomen.
De metingen van 25m werden volgens de resultaten nauwkeuriger geregistreerd in vergelijking met
de overige afstanden. De gemiddeldes bij 25m lagen allemaal lager dan de specificaties van het toestel.
Dit fenomeen viel te verklaren door de convergentie van de laserstraal.
Uit de resultaten van de minima en maxima bleek dat de afwijking van vlakje 1 op elke afstand de
2mm kan overschrijden, waar dit op een afstand van 75m voor elk vlakje geldt. Voor lage
reflectiviteiten en metingen op 75m met een invalshoek van 30° zijn resultaten te verwachten die
mogelijk de technische specificaties overschrijden. Over het algemeen vertonen de minima en maxima
een dalende trend met stijgende reflectiviteit wat nogmaals wijst op een nauwkeuriger resultaat bij
hogere reflectiviteiten.
Tabel 21: Minima, maxima en medianen - invalshoek 30°
Absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Afstand [m]
Albedo [%]
Minimum
Maximum
Verschil
5,0
1,9
2,7
0,8
26,8
1,4
2,6
1,2
5
66,6
0,7
1,8
1,1
83,8
0,7
1,2
0,6
5,0
0,3
2,1
1,8
26,8
0,8
1,4
0,6
25
66,6
0,3
0,8
0,5
83,8
0,0
0,5
0,4
5,0
0,1
11,2
11,1
26,8
0,2
3,2
3,0
75
66,6
0,2
2,6
2,3
83,8
0,7
2,2
1,5
Mediaan
2,4
2,1
1,4
1,0
1,2
1,1
0,6
0,3
3,5
2,1
1,2
1,2
78
6.4.1.1.4
Invalshoek 45°
Tabel 22: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 45°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
1,9
1,8
1,1
0,9
1,5
2,3
1,5
1,4
2,4
1,1
0,7
0,7
Gemiddelde van de absolute afstanden
tussen de patch en de gemiddelde target
[mm]
5m
25m
75m
Invloed van de afstand op de nauwkeurigheid van
de geregistreerde afstand bij invalshoek 45°
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
5
25
75
Afstand [m]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 92: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 45°
Tabel 23: Minima, maxima en medianen - invalshoek 45°
Afstand [m]
5
25
75
Absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Albedo [%]
Minimum
Maximum
Verschil
5,0
1,6
2,4
0,9
26,8
1,3
2,1
0,8
66,6
0,8
1,4
0,6
83,8
0,6
1,3
0,6
5,0
0,9
2,4
1,4
26,8
1,6
3,2
1,6
66,6
1,0
1,8
0,8
83,8
1,0
1,9
0,9
5,0
0,4
4,2
3,8
26,8
0,4
1,8
1,4
66,6
0,1
1,3
1,2
83,8
0,2
1,1
0,9
Mediaan
1,9
1,9
1,1
0,6
1,5
2,2
1,5
1,4
2,5
1,0
0,6
0,8
De grafiek toont een gelijkaardig verloop voor de verschillende vlakjes waarop enkel de laagste
reflectiviteit een uitzondering vormde. De trend van vlakje 1 vertoonde een tegengestelde evolutie
waarvoor geen verklaring gevonden werd. De waarde voor het donkerste vlakje op de afstand van
79
75m werd verworpen ten gevolge van het beperkt aantal geregistreerde punten (6.3). De
nauwkeurigheid steeg in het algemeen met de reflectiviteit waarbij de twee vlakken met de hoogste
reflectiviteit op elke afstand onder de gegeven gemodelleerde nauwkeurigheid bleven. De afwijkingen
bleven voor zowel vakje 1 als vlakje 2 op de 5m onder de gespecificeerde 2mm, maar uit de maxima
bleek dat hogere metingen niet uitgesloten zijn.
6.4.1.1.5
Invalshoek 60°
Tabel 24: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invalshoek 60°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
1,5
1,5
1,0
0,9
1,4
1,7
1,0
1,0
0,8
2,0
1,4
1,2
Gemiddelde van de absolute afstanden
tussen de patch en de gemiddelde
target [mm]
5m
25m
75m
Invloed van de afstand op de nauwkeurigheid
van de geregistreerde afstand bij invalshoek 60°
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Albedo [%]:
5
25
75
Afstand [m]
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 93: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets - invalshoek 60°
De grafiek toont een gelijkaardig verloop voor de verschillende vlakjes, enkel de laagste reflectiviteit
vertoonde een tegengestelde evolutie. Hier werd eveneens de waarde van de 5,0% reflectiviteit op de
75m buiten beschouwing gelaten. In het algemeen steeg de nauwkeurigheid met de reflectiviteit en
daalde ze met de afstand. De hoog reflectieve vlakjes haalden op elke afstand de specificaties. De
metingen van de hoogste reflecties vertoonden onderling een maximaal verschil van 0,4mm en
werden met een betrouwbaarheid van 95% tot dezelfde populatie gerekend. Voor vlakje 1 en vlakje 2
voldeden de gemiddelde afwijkingen, maar werden wel individuele scans geregistreerd waarbij de
afwijkingen toch groter waren. Ten gevolge van de hoge maxima zijn op 75m voor elke geteste graad
van reflectiviteit te hoge afwijkingen te verwachten.
80
Tabel 25: Minima, maxima en medianen - invalshoek 60°
Afstand [m]
5
25
75
6.4.1.2
6.4.1.2.1
Absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Albedo [%]
Minimum
Maximum
Verschil
5,0
0,9
2,0
1,1
26,8
1,2
1,9
0,7
66,6
0,6
1,3
0,6
83,8
0,5
1,2
0,7
5,0
0,7
1,8
1,1
26,8
1,3
2,3
1,0
66,6
0,7
1,5
0,9
83,8
0,4
1,3
0,9
5,0
0,1
2,1
1,9
26,8
1,2
3,1
1,9
66,6
0,2
2,5
2,3
83,8
0,5
2,5
1,9
Mediaan
1,4
1,5
1,0
0,9
1,4
1,6
0,9
0,9
0,8
2,0
1,3
1,2
Invloed van de afstand op de precisie
Algemeen
Tabel 26: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invloed van de afstand
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
Hoek [°]
Afstand [m]
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
5
0,38
0,56
0,45
0,38
25
0,16
0,16
0,16
0,15
0
50
0,12
0,12
0,12
0,12
75
0,29
0,27
0,27
0,26
5
0,20
0,28
0,21
0,13
30
25
0,74
0,17
0,13
0,13
75
3,01
0,63
0,45
0,34
5
0,18
0,18
0,15
0,13
45
25
0,37
0,36
0,18
0,20
75
0,94
0,42
0,30
0,26
5
0,29
0,15
0,16
0,18
60
25
0,27
0,26
0,18
0,18
75
0,52
0,39
0,49
0,45
81
6.4.1.2.2
Invalshoek 0°
Tabel 27: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 0°
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
0,38
0,56
0,45
0,38
0,16
0,16
0,16
0,15
0,12
0,12
0,12
0,12
0,29
0,27
0,27
0,26
Standaardafwijking op de afstand tussen
elke patch en de gemiddelde target
[mm]
5m
25m
50m
75m
Invloed van de afstand op de precisie van de
geregistreerde afstand bij invalshoek 0°
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
5
25
50
75
Afstand [m]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 94: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 0°
De precisie van de resultaten kende voor elk vlakje een gelijkaardig verloop in functie van de afstand.
De spreiding van de afstandsfout was het grootst bij de kleinste afstand en neemt af bij 25m en 50m
waarna de onzekerheid opnieuw toenam bij 75m. Voor de resultaten voor de reflecties bij 25m, 50m
en 75m werden gelijkaardige precisies vastgesteld.
6.4.1.2.3
Invalshoek 30°
Tabel 28: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 30°
5m
25m
75m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
0,20
0,28
0,21
0,13
0,74
0,17
0,13
0,13
3,01
0,63
0,45
0,34
82
Standaardafwijking op de afstand tussen
elke patch en de gemiddelde target
[mm]
Invloed van de afstand op de precisie van de
geregistreerde afstand bij invalshoek 30°
3,50
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
5
25
75
Afstand [m]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 95: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 30°
De curves vertonen een gelijkaardig en quasi constant verloop. De metingen van 26,8%, 66,3% en
83,8% zijn onderling even precies op 5m en 25m. Op 75m ontstond een grotere spreiding. Op de
meting met 5,0% reflectie werd een standaardafwijking van 3mm vastgesteld. Deze hoge waarde werd
verklaard doordat de mediaan lager lag dan het gemiddelde waardoor meer lage meetwaarden en
slechts enkele hoge uitschieters aanwezig waren. Een tweede verklaring kan zijn dat de ‘patch’ op 75m
berekend werd op basis van een beperkt aantal punten in de puntenwolk.
6.4.1.2.4
Invalshoek 45°
Tabel 29: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 45°
5m
25m
75m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
0,18
0,18
0,15
0,13
0,37
0,36
0,18
0,20
0,94
0,42
0,30
0,26
83
Standaardafwijking op de afstand tussen
elke patch en de gemiddelde target
[mm]
Invloed van de afstand op de precisie van de
geregistreerde afstand bij invalshoek 45°
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
5
25
75
Afstand [m]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 96: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 45°
De metingen van 66,3% en 83,8% waren onderling even precies op 5m, 25m en 75m. Op de meting
met 5,0% reflectie op 75m wordt de grootste standaardafwijking vastgesteld, wat te verklaren viel
door het lage aantal punten waarop de ‘patch’ berekend werd. Tot 25m geldt dat de reflecties van
5,0% en 26,8% even precies zijn.
6.4.1.2.5
Invalshoek 60°
Tabel 30: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 60°
5m
25m
75m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
0,29
0,15
0,16
0,18
0,27
0,26
0,18
0,18
0,52
0,39
0,49
0,45
84
Standaardafwijking op de afstand tussen
elke patch en de gemiddelde target
[mm]
Invloed van de afstand op de precisie van de
geregistreerde afstand bij invalshoek 60°
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
Albedo [%]:
5
25
75
Afstand [m]
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 97: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek 60°
Op 5m zijn de resultaten van de hoogste albedo’s even precies, enkel het donkerste vlakje week af.
De standaardafwijking bleef quasi constant voor de hoge reflecties tot minimaal 25m, op deze afstand
verkleinde de precisie van vlakje 2 tot de waarde van de laagste reflectiviteit. Op 75m vertoonden de
resultaten een spreiding in de standaardafwijkingen waardoor de precisie onderling lager lag.
Invloed van de invalshoek
6.4.2.1
6.4.2.1.1
Invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid
Algemeen
Tabel 31: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target – invloed van de invalshoek
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
Afstand [m]
Hoek [°]
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
0
1,9
1,0
0,7
0,4
30
2,4
2,0
1,4
1,0
5
45
1,9
1,8
1,1
0,9
60
1,5
1,5
1,0
0,9
0
1,9
1,1
0,6
0,3
30
1,2
1,1
0,5
0,2
25
45
1,5
2,3
1,5
1,4
60
1,4
1,7
1,0
1,0
50
0
1,6
2,3
1,0
0,8
0
2,2
1,0
1,8
1,5
30
4,2
2,0
1,2
1,2
75
45
2,4
1,1
0,7
0,7
60
0,8
2,0
1,4
1,2
85
6.4.2.1.2
Afstand 5m
Tabel 32: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
1,9
1,0
0,7
0,4
2,4
2,0
1,4
1,0
1,9
1,8
1,1
0,9
1,5
1,5
1,0
0,9
Gemiddelde van de absolute afstanden
tussen de patch en de gemiddelde target
[mm]
0°
30°
45°
60°
Invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid
van de geregistreerde afstand bij afstand 5m
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Albedo [%]:
0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3Dlaserscanner [°]
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 98: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m
Bij elke invalshoek lag de nauwkeurigheid hoger naarmate de reflectiviteit toenam. Bij 0° werd voor
elke albedowaarde een gemiddelde nauwkeurigheid behaald die voldoet aan de voorschriften van de
technische specificaties. Hierbij lag de nauwkeurigheid van 5,0% albedo opmerkelijk lager. Uit de
individuele waarden bleek dat voor deze laagste graad van reflectiviteit onder deze omstandigheden
(kleine afstand en invalshoek volgens de normaal van het vlak) waarden groter dan 2mm niet uit te
sluiten vallen.
De nauwkeurigheid kende voor elke albedowaarde een toename bij 30°. De gemiddelde afwijking
overschreed de 2mm voor 5% en 26,8% voldeed net aan de specificaties. Bij de twee laagste
reflectiviteiten werden bij individuele scans waarden geregistreerd die de technische specificaties niet
haalden.
86
Wanneer de invalshoek toenam tot 45° en 60° nam de nauwkeurigheid op de geregistreerde afstand
opnieuw toe en voldeden de gemiddelde afwijkingen aan de technische specificaties. De maxima voor
beide vlakken lagen lager voor metingen van 60% in vergelijking met deze van 45%.
De hoog reflectieve vlakjes werden voor elke invalshoek ruim onder de gespecificeerde
nauwkeurigheid geregistreerd. De gemiddelde waarden benaderden elkaar sterker bij grotere
invalshoeken. Het gunstige effect van een hogere reflectiviteit werd dus gedeeltelijk opgeheven door
de invalshoek.
Tabel 33: Minima, maxima en medianen – afstand 5m
Hoek [°]
0
30
45
60
6.4.2.1.3
Absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Albedo [%]
Minimum
Maximum
Verschil
5,0
1,4
2,5
1,1
26,8
0,5
1,9
1,4
66,6
0,2
1,4
1,2
83,8
0,0
1,0
1,0
5,0
1,9
2,7
0,8
26,8
1,4
2,6
1,2
66,6
0,7
1,8
1,1
83,8
0,7
1,2
0,6
5,0
1,6
2,4
0,9
26,8
1,3
2,1
0,8
66,6
0,8
1,4
0,6
83,8
0,6
1,3
0,6
5,0
0,9
2,0
1,1
26,8
1,2
1,9
0,7
66,6
0,6
1,3
0,6
83,8
0,5
1,2
0,7
Mediaan
1,7
0,6
0,4
0,1
2,4
2,1
1,4
1,0
1,9
1,9
1,1
0,9
1,4
1,5
1,0
0,9
Afstand 25m
Tabel 34: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 25m
0°
30°
45°
60°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
1,9
1,1
0,6
0,3
1,2
1,1
0,5
0,2
1,5
2,3
1,5
1,4
1,4
1,7
1,0
1,0
87
Gemiddelde van de absolute afstanden
tussen de patch en de gemiddelde target
[mm]
Invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid van
de geregistreerde afstand bij een afstand van 25m
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3Dlaserscanner [°]
Albedo [%]:
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 99: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 25m
Tabel 35: Minima, maxima en medianen – afstand 25m
Hoek [°]
0
30
45
60
Absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Albedo [%]
Minimum
Maximum
Verschil
5,0
1,6
2,3
0,7
26,8
0,7
1,4
0,7
66,6
0,2
0,8
0,6
83,8
0,0
0,6
0,5
5,0
0,3
2,1
1,8
26,8
0,8
1,4
0,6
66,6
0,3
0,8
0,5
83,8
0,0
0,5
0,4
5,0
0,9
2,4
1,4
26,8
1,6
3,2
1,6
66,6
1,0
1,8
0,8
83,8
1,0
1,9
0,9
5,0
0,7
1,8
1,1
26,8
1,3
2,3
1,0
66,6
0,7
1,5
0,9
83,8
0,4
1,3
0,9
Mediaan
1,9
1,1
0,6
0,3
1,2
1,1
0,6
0,3
1,5
2,2
1,5
1,4
1,4
1,6
0,9
0,9
Bij 0° lagen de gemiddelde nauwkeurigheden voor elke albedowaarde onder de gespecificeerde
nauwkeurigheid van 2mm en werden de afwijkingen kleiner met de reflectiviteit. Uit de individuele
metingen bleek dat waarden boven de technische specificaties niet uitgesloten zijn, al lagen ze iets
lager dan de afwijkingen die geregistreerd werden op de 5m met invalshoek 0°. Dit fenomeen werd
verklaard doordat de laserstraal eerst convergeert alvorens te divergeren.
Bij 30° nam de nauwkeurigheid voor elke albedowaarde toe of bleef ze binnen dezelfde populatie. De
nauwkeurigheid nam toe bij toenemende reflectiviteit.
88
45° leidde tot een negatieve piek in de gemiddelde nauwkeurigheid van de afstandsmeting en de
gespecificeerde nauwkeurigheid van 2mm werd hier bij 26,8% overschreden. De nauwkeurigheid was
ook hier het best bij de hoogste albedowaarden. De nauwkeurigheid van de resultaten bij 5% lag hier
hoger dan bij 26,8%, een verschil met de vaststellingen bij kleinere invalshoeken. Dit werd eveneens
vastgesteld bij 60°, waar de nauwkeurigheid overigens opnieuw toenam bij elk vlakje. De trend dat
vlakje 2 nauwkeuriger geregistreerd werd dan het donkerste vlakje werd bevestigd door de maxima.
Deze bevinding kan het gevolg zijn van beschadigingen die aan de vlakjes werden aangebracht.
6.4.2.1.4
Afstand 75m
Tabel 36: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
2,2
1,0
1,8
1,5
4,2
2,0
1,2
1,2
2,4
1,1
0,7
0,7
0,8
2,0
1,4
1,2
Gemiddelde van de absolute
afstanden tussen de patch en de
gemiddelde target [mm]
0°
30°
45°
60°
Invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid
van de geregistreerde afstand bij afstand 75m
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
Albedo [%]:
0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3Dlaserscanner [°]
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 100: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Op 75m werden de waarden voor invalshoeken 30°, 45° en 60° niet in beschouwing genomen door de
lage intensiteit en het beperkt aantal geregistreerde punten. Met een invalshoek van 0° overschreed
de gemiddelde afwijking tot het werkelijk vlak de gespecificeerde nauwkeurigheid. Bovendien lag de
mediaan hoger dan 2mm, waardoor minimaal de helft van de gedane metingen de nauwkeurigheid
overschreed. Donkere oppervlakken worden bijgevolg best niet gescand op een afstand van 75m en
meer.
89
De nauwkeurigheden bij de hoogste reflectiewaarden leverden gelijkaardige resultaten op en kenden
een vergelijkbaar verloop in functie van de invalshoeken. Bij een grotere afstand werd de gunstige
invloed van een hogere reflectiviteit gedeeltelijk geëlimineerd, al bleven ze nauwkeurigere resultaten
geven dan de donkere vlakjes.
Algemeen geldt steeds dat de nauwkeurigheid stijgt met de reflectiviteit. Bij elke individuele meting,
dus ook voor de hoog reflectieve vlakken, werden waarden geregistreerd boven de 2mm. Enkel voor
een invalshoek van 45° was dit niet het geval. Wanneer hoge nauwkeurigheden vereist zijn in het
eindresultaat worden de scans beter vanop een afstand kleiner dan 75m uitgevoerd.
Tabel 37: Minima, maxima en medianen – afstand 75m
Hoek [°]
0
30
45
60
Absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target [mm]
Albedo [%]
Minimum
Maximum
Verschil
5,0
1,5
2,9
1,5
26,8
0,3
1,7
1,4
66,6
1,3
2,5
1,3
83,8
0,9
2,1
1,2
5,0
0,1
11,2
11,1
26,8
0,2
3,2
3,0
66,6
0,2
2,6
2,3
83,8
0,7
2,2
1,5
5,0
0,4
4,2
3,8
26,8
0,4
1,8
1,4
66,6
0,1
1,3
1,2
83,8
0,2
1,1
0,9
5,0
0,1
2,1
1,9
26,8
1,2
3,1
1,9
66,6
0,2
2,5
2,3
83,8
0,5
2,5
1,9
Mediaan
2,1
0,9
1,8
1,4
3,5
2,1
1,2
1,2
2,5
1,0
0,6
0,8
0,8
2,0
1,3
1,2
90
6.4.2.2
6.4.2.2.1
Invloed van de invalshoek op de precisie
Algemeen
Tabel 38: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invloed van de invalshoek
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
Afstand [m]
Hoek [°]
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo 83,8% albedo
0
0,38
0,56
0,45
0,38
30
0,20
0,28
0,21
0,13
0
45
0,18
0,18
0,15
0,13
60
0,29
0,15
0,16
0,18
0
0,16
0,16
0,16
0,15
30
0,74
0,17
0,13
0,13
25
45
0,37
0,36
0,18
0,20
60
0,27
0,26
0,18
0,18
0
0,29
0,27
0,27
0,26
30
3,01
0,63
0,45
0,34
75
45
0,94
0,42
0,30
0,30
60
0,52
0,39
0,49
0,45
Afstand 5m
Tabel 39: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
0,38
0,56
0,45
0,38
0,20
0,28
0,21
0,13
0,18
0,18
0,15
0,13
0,29
0,15
0,16
0,18
0°
30°
45°
60°
Standaardafwijking op de afstand
tussen elke patch en de gemiddelde
target [mm]
6.4.2.2.2
Invloed van de invalshoek op de precisie van de
geregistreerde afstand bij afstand 5m
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
Albedo [%]:
0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3D-laserscanner [°]
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 101: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m
91
De albedowaarden hadden in functie van de invalshoek een gelijkaardig effect op de precisie. Bij 0°
lag de precisie het laagst waarna deze toenam bij 30° en 45° om vervolgens opnieuw af te nemen bij
een invalshoek van 60°. Enkel bij 26,8% bleef de precisie toenemen met de invalshoek.
6.4.2.2.3
Afstand 25m
Tabel 40: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 25m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
0,16
0,16
0,16
0,15
0,74
0,17
0,13
0,13
0,37
0,36
0,18
0,20
0,27
0,26
0,18
0,18
Standaardafwijking op de afstand tussen
elke patch en de gemiddelde target
[mm]
0°
30°
45°
60°
Invloed van de invalshoek op de precisie van de
geregistreerde afstand bij afstand 25m
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
Albedo [%]:
0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3D-laserscanner [°]
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 102: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 25m
De precisie lag vrij hoog bij elke reflectie en invalshoek en bleef het meest stabiel bij de hoogste
albedowaarden. 5,0% en 26,8% gaven tussen de verschillende invalshoeken aanleiding tot grotere
verschillen. En bij het scannen van 5,0% onder een hoek van 30° leidde dit tot een opvallend slechtere
precisie waarvoor geen verklaring gevonden werd.
92
6.4.2.2.4
Afstand 75m
Tabel 41: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1:
Vlakje 2:
Vlakje 3:
Vlakje 4:
5,0% albedo
26,8% albedo
66,6% albedo
83,8% albedo
0,29
0,27
0,27
0,26
3,01
0,63
0,45
0,34
0,94
0,42
0,30
0,30
0,52
0,39
0,49
0,45
Standaardafwijking op de afstand tussen
elke patch en de gemiddelde target
[mm]
0°
30°
45°
60°
Invloed van de invalshoek op de precisie van de
geregistreerde afstand bij afstand 75m
3,50
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
Albedo [%]:
0
30
45
60
Hoek bord t.o.v. 3D-laserscanner [°]
5,0
26,8
66,3
83,8
Figuur 103: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Op 75m werden de waarden voor invalshoeken 30°, 45° en 60° niet in beschouwing genomen door de
lage intensiteit en het beperkt aantal geregistreerde punten.
Voor elk vlakje lag de precisie het hoogst bij 0°. Verder was de precisie van de resultaten bij elke
invalshoek hoog voor 26,8%, 66,3% en 83,8%.
93
Invloed van de reflectiviteit
De samenvattende tabellen en de tabellen met de medianen en de extrema worden in dit gedeelte
niet meer weergegeven aangezien dit een herhaling in resultaten zou veroorzaken. De grafieken
leveren wel een meerwaarde aangezien hierdoor nieuwe inzichten in de resultaten verkregen kunnen
worden.
6.4.3.1
Invloed van de reflectiviteit op de nauwkeurigheid
6.4.3.1.1
Invalshoek 0°
Tabel 42: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 0°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de
gemiddelde target [mm]
5m
1,9
1,0
0,7
0,4
Gemiddelde van de absolute afstanden
tussen de patch en de gemiddelde target
[mm]
Vlakje 1: 5,0%
Vlakje 2: 26,8%
Vlakje 3: 66,3%
Vlakje 4: 83,8%
25m
1,9
1,1
0,6
0,3
50m
1,6
2,3
1,0
0,8
75m
2,2
1,0
1,8
1,5
Invloed van de reflectiviteit op de
nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij
invalshoek 0°
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
5
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Afstand [m]:
5
25
50
75
Figuur 104: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 0°
De metingen bij 5m en 25m leverden gelijkaardige nauwkeurigheden op voor de verschillende
albedowaarden. Voor deze afstanden bleef de nauwkeurigheid voor elke albedowaarde beneden de
2mm. Voor de laagste albedowaarden werd reeds op 5m een gemiddelde waarde opgetekend boven
de 2mm. Het scannen van laag reflectieve oppervlakken vereist bijgevolg extra aandacht. Bij de scans
vanop 50m kenden de resultaten bij de lagere albedowaarden een afwijkend verloop ten opzichte van
de scans bij 5m en 25m. Bij 50m was de nauwkeurigheid bij 5% lager dan bij de andere afstanden. In
94
de resultaten werd een opvallende piek vastgesteld voor 26,8% albedo en werd de gespecificeerde
afstand van 2mm overschreden. Bij 75m lag de nauwkeurigheid bij 5% boven 2mm en werd bij 26,8%
een opvallende toename van de nauwkeurigheid vastgesteld. Een verklaring voor de opvallende
waarden bij 26,8% kon niet gegeven worden, maar ze kunnen het gevolg zijn van de beschadigingen
die aan de kaartjes werden aangebracht of veroorzaakt zijn door trillingen van voorbij rijdende wagens.
Bij 66,3% en 83,8% trad bij elke afstand een gelijkaardig verloop van de nauwkeurigheid op. Bij deze
vlakjes bleek de invloed van de afstand het duidelijkst. Voor elke afstand geldt een maximaal verval
van 0,3mm tussen de hoog reflectieve vlakken. Tot op 50m werden geen waarden van 2mm
geregistreerd voor de helderste vlakken terwijl de maxima op 75m er op wijzen dat een afwijking
boven de 2mm niet uitgesloten is. Met de invalshoek van 0° kunnen de hoog reflectieve vlakken tot
50m met zekerheid gescand worden zodat de resultaten voldoen aan de technische specificaties.
6.4.3.1.2
Invalshoek 30°
Tabel 43: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 30°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de
patch en de gemiddelde target [mm]
5m
2,4
2,0
1,4
1,0
Gemiddelde van de absolute afstanden
tussen de patch en de gemiddelde target
[mm]
Vlakje 1: 5,0%
Vlakje 2: 26,8%
Vlakje 3: 66,3%
Vlakje 4: 83,8%
25m
1,2
1,1
0,5
0,2
75m
4,2
2,0
1,2
1,2
Invloed van de reflectiviteit op de
nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij
invalshoek 30°
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
5
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 105: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 30°
Bij elke afstand werd vastgesteld dat de nauwkeurigheid toenam naarmate de albedowaarde van de
vlakjes hoger werd. 25m leverde bij elke albedowaarde de hoogste nauwkeurigheid op en bleef steeds
95
beneden de 2mm. Dit fenomeen is te verklaren door het convergeren van de laserstraal alvorens te
divergeren. Bij 5m en 75m werd de 2mm grens niet overschreden voor 66,3% en 83,8%, waar dit wel
het geval was voor lagere albedowaarden. Bij beide afstanden werd bij 5% de gespecificeerde
nauwkeurigheid overschreden. Hieruit blijkt dat het scannen van donkere oppervlakken met de
nodige aandacht moet gebeuren. Bij 26,8% benaderen de waardes 2mm. Uit het 95%-BI bleek dat
voor beide vlakjes de nauwkeurigheid zowel boven als onder 2mm kan liggen.
6.4.3.1.3
Invalshoek 45°
Tabel 44: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 45°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de
patch en de gemiddelde target [mm]
5m
1,9
1,8
1,1
0,9
Gemiddelde van de absolute afstanden
tussen de patch en de gemiddelde target
[mm]
Vlakje 1: 5,0%
Vlakje 2: 26,8%
Vlakje 3: 66,3%
Vlakje 4: 83,8%
25m
1,5
2,3
1,5
1,4
75m
2,4
1,1
0,7
0,7
Invloed van de reflectiviteit op de
nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij
invalshoek 45°
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
5
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 106: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 45°
Bij 5m lag de nauwkeurigheid voor elke albedowaarde beneden 2mm en steeg ze naarmate de
reflectiviteit toenam. Bij 75m werd een gelijkaardige trend vastgesteld maar leidde de laagste
albedowaarde tot een nauwkeurigheid die boven 2mm ligt. Bij de andere vlakjes werd op deze afstand
de hoogste nauwkeurigheid geregistreerd. Het resultaat bij 5,0% valt te verklaren door de beperkte
intensiteit die voor dit vlakje geregistreerd werd. De puntenwolk bevatte opmerkelijk minder punten
waardoor gesteld wordt dat laag reflectieve oppervlakken best niet gescand worden op een afstand
van 75m of meer, onder een grotere invalshoeken. Bij 25m leverde 5% een nauwkeurigheid op die
96
niet aansloot bij de andere resultaten. Bij 26,8% werd de gespecificeerde nauwkeurigheid zelfs
overschreden.
Bij de albedowaarden van 26,8%, 66,3% en 83,8% leverden 75m en 25m respectievelijk steeds de
meest en minst nauwkeurige resultaten op. Naarmate de reflectiviteit steeg, benaderden de
verschillende nauwkeurigheden elkaar steeds meer.
6.4.3.1.4
Invalshoek 60°
Tabel 45: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 60°
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de
patch en de gemiddelde target [mm]
Gemiddelde van de absolute afstanden
tussen de patch en de gemiddelde target
[mm]
Vlakje 1: 5,0%
Vlakje 2: 26,8%
Vlakje 3: 66,3%
Vlakje 4: 83,8%
5m
25m
75m
1,5
1,5
1,0
0,9
1,4
1,7
1,0
1,0
0,8
2,0
1,4
1,2
Invloed van de reflectiviteit op de
nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij
invalshoek 60°
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 107: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek 60°
Bij 5m nam de nauwkeurigheid toe met de reflectiviteit en werden voor elk vlakje nauwkeurigheden
behaald beneden de 2mm. Bij de scans op 25m en 75m werd een gelijkaardig verloop van de
nauwkeurigheid in functie van de reflectiviteit vastgesteld. Enkel voor 5% werd op 75m een resultaat
geregistreerd dat niet strookt met de overige bevindingen. Deze waarde werd echter als niet relevant
beschouwd omwille van een beperkte ontvangen intensiteit en het verwaarloosbare aantal
geregistreerde punten. Voor de twee hoogste albedowaarden werd bij een invalshoek van 60° steeds
voldaan aan de gespecificeerde nauwkeurigheid. Zoals bij de overige invalshoeken werd een kleiner
97
onderling verschil opgemerkt naarmate de reflectiviteit toenam. Op 75m werden voor elke
albedowaarde individuele waarden gemeten die de 2mm-grens overschreden. Afstanden vanaf 75m
en bij invalshoeken van 60° of meer, zijn af te raden wanneer hoge nauwkeurigheden vereist zijn.
6.4.3.1.5
Afstand 5m
Tabel 46: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de
gemiddelde target [mm]
Gemiddelde van de absolute afstanden
tussen de patch en de gemiddelde target
[mm]
Vlakje 1: 5,0%
Vlakje 2: 26,8%
Vlakje 3: 66,3%
Vlakje 4: 83,8%
0°
1,9
1,0
0,7
0,4
30°
2,4
2,0
1,4
1,0
45°
1,9
1,8
1,1
0,9
60°
1,5
1,5
1,0
0,9
Invloed van de reflectiviteit op de
nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij
afstand 5m
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 108: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m
Bij een invalshoek van 0° werden voor elke reflectiviteit nauwkeurigheden bereikt beneden 2mm. Het
scannen met een loodrecht invallende straal leverde bij de meeste albedowaarden de hoogste
nauwkeurigheid op enkel bij 5% werd hiervan afgeweken. Bij 30° werd voor elke reflectiewaarde de
minste nauwkeurigheid behaald en werd bij 5% een gemiddelde afwijking vastgesteld die hoger ligt
dan 2mm. Bij 45° en 60° werd voor elk vlakje voldaan aan de gespecificeerde nauwkeurigheid. De
nauwkeurigheid nam toe naarmate de reflectiviteit steeg en de onderlinge verschillen, veroorzaakt
door de invalshoek, werden kleiner. De invalshoek lijkt minder invloed te hebben bij hogere
albedowaarden.
98
6.4.3.1.6
Afstand 25m
Tabel 47: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 25m
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de
gemiddelde target [mm]
Gemiddelde van de absolute afstanden
tussen de patch en de gemiddelde target
[mm]
Vlakje 1: 5,0%
Vlakje 2: 26,8%
Vlakje 3: 66,3%
Vlakje 4: 83,8%
0°
1,9
1,1
0,6
0,3
30°
1,2
1,1
0,5
0,2
45°
1,5
2,3
1,5
1,4
60°
1,4
1,7
1,0
1,0
Invloed van de reflectiviteit op de
nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij
afstand 25m
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 109: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 5m
Bij 0° en 30° werd voor elk vlakje een gemiddelde nauwkeurigheid geregistreerd die beneden de
gespecificeerde nauwkeurigheid lag waarbij de waarden stegen bij hogere reflectiewaarden.
Algemeen kon gesteld worden dat deze metingen nauwkeuriger zijn dan deze bij grotere invalshoeken,
enkel bij 5% werd hiervan afgeweken bij 0°.
De nauwkeurigheid in functie van de albedowaarden kende bij 45° en 60° een gelijkaardig verloop. Bij
beiden werd een piek vastgesteld bij 26,8% en bij 45° leverde dit een afwijking groter dan 2mm op.
Voor de hogere albedowaarden nam de nauwkeurigheid toe. Bij 60° kon geen significant verschil
aangetoond worden tussen vlakje 3 en vlakje 4. Bij elke invalshoek lag de nauwkeurigheid het hoogst
bij 66,3% en 83,8%. Het verval tussen deze vlakjes daalt met de invalshoek.
99
6.4.3.1.7
Afstand 75m
Tabel 48: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de
gemiddelde target [mm]
0°
2,2
1,0
1,8
1,5
Gemiddelde van de absolute afstanden
tussen de patch en de gemiddelde target
[mm]
Vlakje 1: 5,0%
Vlakje 2: 26,8%
Vlakje 3: 66,3%
Vlakje 4: 83,8%
30°
4,2
2,0
1,2
1,2
45°
2,4
1,1
0,7
0,7
60°
0,8
2,0
1,4
1,2
Invloed van de reflectiviteit op de
nauwkeurigheid van de geregistreerde afstand bij
afstand 75m
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 110: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Wegens te lage ontvangen intensiteit en het verwaarloosbare aantal geregistreerde punten werd het
vakje met de laagste graad van reflectiviteit op deze afstand buiten beschouwing gelaten. Om die
reden worden lage reflectiviteiten bij voorkeur niet gescand vanop grote afstand bij grote
invalshoeken.
De scans bij 0° behaalden een voldoende hoge nauwkeurigheid. Uit de individuele waarden blijkt dat
voor elke graad van reflectiviteit grotere afwijkingen dan de gemoduleerde nauwkeurigheid niet
uitgesloten zijn.
Bij 30° nam de nauwkeurigheid duidelijk toe naarmate de reflectiviteit steeg. Bij 45° werden
gelijkaardige resultaten bekomen en lag de nauwkeurigheid voor elke albedowaarde hoger dan bij 30°.
De hoge reflectiviteiten halen op zowel 30° als 45° dezelfde nauwkeurigheid. Het gunstige effect van
hoge reflectieve materialen wordt bijgevolg teniet gedaan door de invalshoek.
100
Een invalshoek van 60° gaf op deze afstand vergelijkbare resultaten met deze bij 30°. De
nauwkeurigheden voor 83,8% behoorden met een betrouwbaarheid van 95% tot dezelfde populatie.
6.4.3.2
Invloed van de reflectiviteit op de precisie
6.4.3.2.1
Invalshoek 0°
Tabel 49: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 0°
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de
gemiddelde target [mm]
5m
0,38
0,56
0,45
0,38
Standaardafwijking op de afstand tussen
elke patch en de gemiddelde target
[mm]
Vlakje 1: 5,0%
Vlakje 2: 26,8%
Vlakje 3: 66,3%
Vlakje 4: 83,8%
25m
0,16
0,16
0,16
0,15
50m
0,12
0,12
0,12
0,12
75m
0,29
0,27
0,27
0,26
Invloed van de reflectiviteit op de precisie van de
geregistreerde afstand bij invalshoek 0°
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Afstand [m]:
5
25
50
75
Figuur 111: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 0°
De verhoudingen tussen de verschillende afstanden waren quasi constant voor elke albedowaarde.
Voor elk vlakje lag de precisie het laagst wanneer gescand werd van op 5m. 50m leverde de resultaten
op waarbij de spreiding het kleinst was. Bij 25m, 50m en 75m bleef de precisie stabiel bij de
verschillende albedowaarden. De metingen gebeurden bijgevolg even precies voor elke
reflectiewaarde. Bij 5m bleek het effect van de reflectiviteit op de precisie groter. Bij 26,8% lag de
waarde opvallend hoger dan bij de overige albedowaarden, wat verklaard wordt door toeval.
101
6.4.3.2.2
Invalshoek 30°
Tabel 50: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 30°
Standaardafwijking op de afstand tussen elke
patch en de gemiddelde target [mm]
5m
0,20
0,28
0,21
0,13
Standaardafwijking op de afstand tussen
elke patch en de gemiddelde target
[mm]
Vlakje 1: 5,0%
Vlakje 2: 26,8%
Vlakje 3: 66,3%
Vlakje 4: 83,8%
25m
0,74
0,17
0,13
0,13
75m
3,01
0,63
0,45
0,34
Invloed van de reflectiviteit op de precisie van de
geregistreerde afstand bij invalshoek 30°
3,50
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 112: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 30°
De precisie nam bij elke afstand toe naarmate de albedowaarde hoger lag. De enige uitzondering
hierop was de precisie bij 5,0% gemeten vanop 5m. Deze lag lager dan de overige reflectiewaarden bij
dezelfde afstand. 5,0% albedo zorgde voor de grootste verschillen tussen de verschillende afstanden
en bij 75m lag de betrouwbaarheid van deze resultaten laag. Naarmate de albedowaarde toenam,
werd het verschil qua precisie kleiner tussen de verschillende afstanden.
6.4.3.2.3
Invalshoek 45°
Tabel 51: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 45°
Standaardafwijking op de afstand tussen elke
patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1: 5,0%
Vlakje 2: 26,8%
Vlakje 3: 66,3%
Vlakje 4: 83,8%
5m
0,18
0,18
0,15
0,13
25m
0,37
0,36
0,18
0,20
75m
0,94
0,42
0,30
0,26
102
Standaardafwijking op de afstand tussen
elke patch en de gemiddelde target
[mm]
Invloed van de reflectiviteit op de precisie van de
geregistreerde afstand bij invalshoek 45°
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 113: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 45°
De precisie van de resultaten nam toe wanneer de afstand tussen scanner en object kleiner werd en
de reflectiviteit hoger was. Bij 5,0% albedo was de onzekerheid op de resultaten bij elke afstand het
grootst en dit liep sterk op naarmate de scanafstand groter werd. Naarmate de albedowaarden
toenamen, lag de spreiding voor de verschillende afstanden dichter bij elkaar. Een trend die ook bij 0°
en 30° graden werd vastgesteld.
6.4.3.2.4
Invalshoek 60°
Tabel 52: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 60°
Standaardafwijking op de afstand tussen elke
patch en de gemiddelde target [mm]
Vlakje 1: 5,0%
Vlakje 2: 26,8%
Vlakje 3: 66,3%
Vlakje 4: 83,8%
5m
0,29
0,15
0,16
0,18
25m
0,27
0,26
0,18
0,18
75m
0,52
0,39
0,49
0,45
103
Standaardafwijking op de afstand tussen
elke patch en de gemiddelde target
[mm]
Invloed van de reflectiviteit op de precisie van de
geregistreerde afstand bij invalshoek 60°
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Afstand [m]:
5
25
75
Figuur 114: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 60°
De gerealiseerde precisie bleek voor elke opstelling voldoende hoog wat te verklaren is door de
afwijkingen op de afstand die optreden volgens de richting van de laserstraal. Hierdoor kunnen de
resultaten een vertekend beeld geven. De precisie nam algemeen toe naarmate de scanafstand kleiner
werd. Enkel bij 5% werd van deze trend afgeweken.
6.4.3.2.5
Afstand 5m
Tabel 53: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1: 5,0%
Vlakje 2: 26,8%
Vlakje 3: 66,3%
Vlakje 4: 83,8%
0°
30°
45°
60°
0,38
0,56
0,45
0,38
0,20
0,28
0,21
0,13
0,18
0,18
0,15
0,13
0,29
0,15
0,16
0,18
104
Standaardafwijking op de afstand tussen
elke patch en de gemiddelde target
[mm]
Invloed van de reflectiviteit op de precisie van de
geregistreerde afstand bij afstand 5m
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 115: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m
De precisie lag het laagst bij een loodrechte opstelling van het bord ten opzichte van de scanner. Deze
kende een negatieve piek bij 26,8%, een verschijnsel dat ook werd vastgesteld bij 30°. Een verklaring
werd hiervoor niet gevonden.
Bij 45° leek de albedowaarde het minst effect te hebben op de precisie van de waarnemingen. Deze
bleef vrij constant bij elk vlakje en nam licht toe met de reflectiviteit. Bij 60° lag de precisie in
vergelijking met de andere vlakjes opvallend lager bij 5% albedo. Naarmate de reflectie steeg, werd
het verschil, qua precisie, tussen de hoeken kleiner.
De precisie vergelijken in functie van de hoeken is gevaarlijk omdat hieruit verkeerde conclusies
kunnen getrokken worden doordat fouten steeds in een andere richting (= onder een andere hoek)
ten opzichte van het bord optreden.
6.4.3.2.6
Afstand 25m
Tabel 54: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 25m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1: 5,0%
Vlakje 2: 26,8%
Vlakje 3: 66,3%
Vlakje 4: 83,8%
0°
0,16
0,16
0,16
0,15
30°
0,74
0,17
0,13
0,13
45°
0,37
0,36
0,18
0,20
60°
0,27
0,26
0,18
0,18
105
Standaardafwijking op de afstand tussen
elke patch en de gemiddelde target
[mm]
Invloed van de reflectiviteit op de precisie van de
geregistreerde afstand bij afstand 25m
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 116: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 25m
De precisie bij 25m lag voor de verschillende invalshoeken dicht bij elkaar. De enige piek die werd
vastgesteld, trad op bij 5,0% albedo geregistreerd onder een invalshoek van 30°. Een specifieke
verklaring kon hiervoor niet gegeven worden. Bij de overige hoeken had de reflectie steeds een
vergelijkbaar effect. De lagere reflectiewaarden leveren de grootste spreiding op voor elke invalshoek.
Naarmate het albedo steeg, werden de onderlinge verschillen kleiner.
De precisie vergelijken in functie van de hoeken is gevaarlijk omdat hieruit verkeerde conclusies
kunnen getrokken worden doordat fouten steeds in een andere richting ten opzichte van het bord
optreden.
6.4.3.2.7
Afstand 75m
Tabel 55: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de
gemiddelde target [mm]
Vlakje 1: 5,0%
Vlakje 2: 26,8%
Vlakje 3: 66,3%
Vlakje 4: 83,8%
0°
0,29
0,27
0,27
0,26
30°
3,01
0,63
0,45
0,34
45°
0,94
0,42
0,30
0,30
60°
0,52
0,39
0,49
0,45
106
Standaardafwijking op de afstand tussen
elke patch en de gemiddelde target
[mm]
Invloed van de reflectiviteit op de precisie van de
geregistreerde afstand bij afstand 75m
3,50
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
5,0
26,8
66,3
83,8
Albedowaarde [%]
Invalshoek [°]:
0
30
45
60
Figuur 117: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 75m
Hier werden de waarden voor 5% albedo voor de invalshoeken 30°, 45° en 60° buiten beschouwing
gelaten. De precisie bij 0° kende een stabiel verloop voor de verschillende albedowaarden. Vanaf
26,8% kent de precisie bij elke invalshoek een constant verloop en benaderen de resultaten bij hogere
reflectiewaarden elkaar steeds meer.
107
7 BESLUIT
Het onderzoek naar de precisie op de positie van de black-and-white targets wees uit dat aan de
technische specificaties van het toestel voldaan werd bij scans tot 25m. Nauwkeurige targetscans
worden bijgevolg tot deze afstand gegarandeerd. Vanaf 50m nam de onzekerheid toe en werd de
gespecificeerde precisie overschreden. De invalshoek bleek bij korte afstanden weinig invloed te
hebben op de precisie, maar bij grotere invalshoeken werd een grotere spreiding vastgesteld. Vanop
grote afstand werden bij elke invalshoek waarden geregistreerd die de opgelegde specificaties
overschreden. Een herziening van de technische fiche werd aangeraden voor afstand van 50m.
De gegevens over de intensiteitswaarden gaven aan dat de intensiteit steeg naarmate de
albedowaarde toenam. Door de sterkere terugkaatsing van de laserstraal wordt meer van de
uitgezonden energie gereflecteerd waardoor een hogere intensiteit ontvangen wordt. Deze bevinding
wordt bevestigd door (Guihua et al., 2013), (Pfeifer et al., 2007b), (T. Voegtle et al., 2008), (T Voegtle
& Wakaluk, 2009) en (Bucksch et al., 2009). Ook (Lichti & Harvey, 2008) en (Kersten et al., 2005) komen
tot deze conclusie, al drukken deze bronnen het uit in functie van kleuren. Bovendien gold dat de
intensiteit afnam in functie van de afstand. (Guihua et al., 2013) en (Lichti & Harvey, 2008) bevestigen
dit fenomeen. Volgens (Lichti & Harvey, 2008) is de maximale scanafstand groter bij hoog reflectieve
materialen. Een bevinding die tijdens dit onderzoek bevestigd werd. Bij een afstand van 75m bleek de
teruggekaatste intensiteit voor laag reflectieve vlakken immers te laag om een representatief aantal
punten te registreren. Bij de hogere graden van reflectie was dit niet het geval. Laag reflectieve
oppervlakken worden bijgevolg best niet gescand vanop afstanden van 75m en groter. Vervolgens
bleek dat naarmate de invalshoek toenam, de intensiteit afnam. Dit bleek tevens uit het onderzoek
van (Kaasalainen et al., 2011), (Pesci & Teza, 2008) en (Guihua et al., 2013). Deze trend is het gevolg
van de grotere laserspot bij stijgende invalshoeken. Een invalshoek volgens de richting van de normaal
wordt als ideale scanpositie beschouwd in functie van de intensiteit. In overeenstemming met
(Kaasalainen et al., 2011) werd vastgesteld dat het verval in functie van de afstand en de hoek het
grootst is bij de meest reflectieve materialen.
Vervolgens werd de invloed van de afstand op de geregistreerde afstandsmeting onderzocht. Bij hoge
albedowaarden voldeed de gemiddelde nauwkeurigheid op elke afstand aan de technische
specificaties ongeacht de invalshoek waaronder gemeten werd. Bij lage albedowaarden werden wel
gemiddeldes hoger dan 2mm vastgesteld, deze curves vertoonden een wisselend verloop. De hoog
reflectieve oppervlakken zijn dus het nauwkeurigst voor de afstandsbepaling. Dit wordt bevestigd in
het onderzoek van (Guihua et al., 2013). Uit de resultaten van de individuele scans bij 75m bleek dat
108
voor elke reflectiewaarde afwijkingen groter dan de voorgeschreven technische specificaties optraden.
Scans uitgevoerd vanop 75m en verder garanderen de gespecifieerde nauwkeurigheid bijgevolg niet.
De invloed van de afstand op de precisie van de afstandsmeting vertoonde geen duidelijke trend.
De invloed van de invalshoek op de nauwkeurigheid van de afstandsmeting toonde aan dat de meest
nauwkeurige resultaten bekomen werden bij hoge albedowaarden. De gemiddelde nauwkeurigheid
voldeed voor de hoogste albedowaarden bij elke invalshoek aan de gespecificeerde nauwkeurigheid.
Bij de individuele scans werden wel lagere nauwkeurigheden vastgesteld bij verschillende
invalshoeken wanneer de scanafstand 75m bedroeg. Bij lage albedowaarden traden bij elke
invalshoek gemiddelde nauwkeurigheden op die niet voldeden aan de technische specificaties.
Bovendien maakten lage reflectiewaarden het onmogelijk om bij schuine invalshoeken op grote
afstand betrouwbare vaststellingen te doen door het beperkt aantal geregistreerde punten. De
kwaliteit van de meting ligt dus hoger wanneer de reflectiviteit toeneemt (Guihua et al., 2013). Tussen
de twee laagste reflectiviteiten de twee hoogste reflectiviteiten onderling naderden de afwijkingen
elkaar bij een stijgende invalshoek. De toenemende invalshoek bleek een positieve invloed op de
nauwkeurigheden te hebben. Dit werd eveneens beweerd in (Guihua et al., 2013).
Qua precisie bleken de hoogste albedowaarden het minste beïnvloed te worden door de invalshoeken.
Bij lagere albedowaarden waren de verschillen tussen de invalshoeken groter, vooral naarmate de
afstand groter werd.
Voor een reflectie van 5,0% albedo werden in bijna alle gevallen maxima hoger dan de gespecificeerde
2mm behaald. Donkere, laag reflectieve vlakken moeten hierdoor steeds met de nodige zorg gescand
worden. Overtallige metingen of de donkerste vlakken bedekken met een lichte verf kunnen betere
meetresultaten opleveren. In de praktijk zal dit echter moeilijk te verwezenlijken zijn. Deze bewering
wordt gestaafd door (Boehler et al., 2003) en (Nguyen & Lui, z.d.).
Op basis van al de gemaakte vaststellingen omtrent de afstandsnauwkeurigheid werd geconcludeerd
dat de gespecificeerde nauwkeurigheid voor een gemoduleerd vlak met het Leica Scanstation C10 een
uitbreiding vereist voor de geregistreerde nauwkeurigheden bij lage albedowaarden en bij afstanden
vanaf 75m. Ook de onderzochte specificaties van de targetscans hebben uitbreiding nodig. Om tot
correcte conclusies te komen is verder onderzoek nodig. Dit onderzoek dient te bepalen wat de
maximale afstanden en invalshoek zijn waaronder elke reflectie te sterke gemiddelde afwijkingen
vertoont.
109
8 DISCUSSIE
Ondervindingen tijdens het praktisch onderzoek wezen op een aantal parameters die voor verbetering
vatbaar zijn. Het gebruik van gestandaardiseerde platen met gekende reflectiewaarden en –
eigenschappen in plaats van de gebruikte verfstalen, resulteert in betrouwbaardere theoretisch
waarden. Wegens de hoge kostprijs was de aankoop van zulke platen bij dit onderzoek niet mogelijk.
Verder wordt aangeraden om van bij het begin van het onderzoek te werken met voldoende grote
black-and-white targets. De kleinere varianten konden op grotere afstanden niet geregistreerd
worden waardoor de methode moest worden aangepast. Dit heeft de resultaten niet beïnvloed maar
maakte het onmogelijk om bepaalde opstellingen te vergelijken voor het onderzoek naar de
positienauwkeurigheid van de black-and-white targets.
Tenslotte, om het onderzoek zo optimaal mogelijk uit te voeren, wordt bij voorkeur gewerkt in een
stabiele meetomgeving die over regelbare omgevingsfactoren beschikt. Doorgang van mensen en/of
auto’s wordt best uitgesloten. Deze factoren kunnen aanleiding geven tot ruis en minder
betrouwbaardere resultaten als gevolg van trillingen of van extra naburige straling van bijvoorbeeld
koplampen.
Omwille van plaatsgebrek werd het onderzoek onderworpen aan enkele beperkingen. De invloed op
een afstand verder dan 75m is zeker nuttig om in de toekomst te onderzoeken. Meer invalshoeken,
een minder groot interval tussen de beschouwde afstanden of een grotere variëteit aan
reflectiviteiten zou een goede basis zijn voor een verder uitbreiding van de technische specificaties.
Tevens kunnen veelvoorkomende bouwmaterialen opgenomen worden zodat de theoretische
bevindingen aan de praktische omstandigheden getoetst kunnen worden.
110
9 BIJLAGEN
1. Technische fiche van het Leica Scanstation C10
2. Foto’s en histogrammen waarop albedowaarden bepaald werden
3. Controleberekening standaardformule in Excel
4. SPSS - targets (1 verwerking)
5. SPSS - vlakjes (1 verwerking)
6. Invloed van σz op σpositie
7. Coördinaten en standaardafwijkingen van de targets
8. Absolute afstanden tussen patches en de gemiddelde target
111
10 BRONNEN
RONNENLIJST
10.1 Elektronische artikels
Baribeau, R., Rioux, M., & Godin, G. (1992). Color reflectance modeling using a polychromatic laser
range sensor. IEEE Transactions on pattern analysis and machine intelligence, Vol. 14(no.2),
263-269. http://www.cs.virginia.edu/~mjh7v/bib/Baribeau92.pdf
Baur, D. (1997). Lasers in theorie en praktijk (1e druk ed.). Beek: Uitgeverij Segment B.V.
Boehler, W., & Marbs, A. (2002). 3D Scanning instruments. https://i3mainz.fhmainz.de/sites/default/files/public/data/p05_Boehler.pdf
Boehler, W., Marbs, A., & M. Bordas, V. (2003). Investigating Laser Scanner Accuracy. 9. http://wwwgroup.slac.stanford.edu/met/align/Laser_Scanner/laserscanner_accuracy.pdf
Bucksch, A., Lindenbergh, R., & Van Ree, J. (2009). Error budget of terrestrial laserscanning: influence
of the intensity remission on the scan
quality http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/downloadjsessionid=C37723C8EAC6EEAF75450
972831EF632?doi=10.1.1.149.3692&rep=rep1&type=pdf
Clark, J., & Robson, S. (2011). Accuracy of measurements made with CYRAX 2500 laser scanner
against surfaces of known colour.
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.184.4591&rep=rep1&type=pdf
Deruyter, G., Van Quickelberghe, A., Nuttens, T., Stal, C., & De Wulf, A. (2013). Risk Assessment: a
comparison between the use of laser scanners and total stations in a situation where time is
the critical factor. 13th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM.
https://biblio.ugent.be/input/download?func=downloadFile&recordOId=4129999&fileOId=4
130015
Dobos, E. (z.d.). Albedo. http://www.uni-miskolc.hu/~ecodobos/14334.pdf
Fröhlich, C., & Mettenleiter, M. (2012). Terrestrial laser scanning: new perspectives in 3D surveying.
International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences,
XXXVI(8).
http://oldwww.prip.tuwien.ac.at/cvch07/download/download/lectures/FROEHLICH.pdf
Gilchrist, G. (2011). A simple method to determine surface albedo using digital photography.
http://vixra.org/pdf/1110.0035v1.pdf
GO3D. (2014). Sphere Target 5/8" Survey.
Guihua, C., Mingfeng, L., Jianping, Y., Jiangxia, O., & Ling, Z. (2013). Effect of Target Properties on
Terrestrial Laser Scanning Intensity Data. International Conference on Remote Sensing,
Environment and Transportation Engineering, p. 818- 821. http://www.atlantispress.com/php/pub.php?publication=rsete-13&frame=http%3A//www.atlantispress.com/php/paper-details.php%3Fid%3D8313
Iavarone, A. (2002). Laser scanner fundamentals. Professional surveyor magazine.
http://www.profsurv.com/magazine/article.aspx?i=949
Jacobs, G. (2005). High definition surveying and 3D laser scanning: understanding laser scanning
terminology. Professional surveyor magazine, Februari.
http://www.profsurv.com/magazine/article.aspx?i=1377
Janos, T. (2008). Land surveying and data management.
112
Kaasalainen, S., Jaakkola, A., Kaasalainen, M., Krooks, A., & Kukko, A. (2011). Analysis of Incidence
Angle and Distance Effects on Terrestrial Laser Scanner Intensity: Search for Correction
Methods. Remote Sensing, 3, p. 2207-2221.
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/downloadjsessionid=5DCFBC60E716E1DB5968BAB277
2B2D1C?doi=10.1.1.298.3660&rep=rep1&type=pdf
Kersten, T. P., Sternberg, H., & Mechelke, K. (2005). Investigations into the accuracy behaviour of the
terrestrial laser scanning system Mensi GS100. Optical 3-D Measurement Techniques VII, Vol.
I, 122-131. http://archive.cyark.orarchive.cyark.org/temp/hcuhamburgkerstenetal2005.pdf
Kurazume, R., Nishino, K., Zhang, Z., & Ikeuchi, K. (2002). Simultaneous 2D images and 3D geometric
model registration for texture mapping utilizing reflectance attribute The 5th Asian
Conference on Computer Vision.
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.23.3293&rep=rep1&type=pdf
Lichti, & Harvey. (2008). The effects of reflecting surface material properties on time-of-flight laser
scanner measurements.
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.123.5103&rep=rep1&type=pdf
Lichti, D. D., & Gordon, S. J. (2004). Error Propagation in Directly Georeferenced Terrestrial Laser
Scanner Point Clouds for Cultural Heritage Recording.
http://www.fig.net/pub/athens/papers/wsa2/wsa2_6_lichti_gordon.pdf
Nguyen, T. T., & Lui, X. G. (z.d.). Analysis of error sources in terrestrial laser scanning.
http://www.lmars.whu.edu.cn/3DCMA2011/papers%5CCNKI%5CAnalysis%20Of%20Error%2
0Sources%20In%20Terrestrial%20Laser%20Scanning.pdf
Nieuwenhuizen, M. (2008). Energie door zonnepanelen in de ruimte: TU Delft.
Palmer, J. M. (2010). The measurement of transmission, absorption, emission, and reflection. Tuscon,
Arizona.
Pesci, A., & Teza, G. (2008). Effects of surface irregularities on intensity data from laser scanning: an
experimental approach. Annals of geophysics, 51(october/december).
http://www.annalsofgeophysics.eu/index.php/annals/article/view/4462/4546
Pfeifer, N., Dorninger, P., Haring, A., & Fan, H. (2007a). Investigating terrestrial laser scanning
intensity data: quality and functional relations. http://publik.tuwien.ac.at/files/pubgeo_1932.pdf
Pfeifer, N., Dorninger, P., Haring, A., & Fan, H. (2007b). Investigating terrestrial laser scanning
intensity data: quality and functional relations. 8th Conference on Optical 3-D Measurement
Techniques, 328 - 337. http://publik.tuwien.ac.at/files/pub-geo_1932.pdf
Reshetyuk, Y. (2008). Investigation and calibration of pulsed time-of-flight terrestrial laser scanner.
152 p.
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.107.4137&rep=rep1&type=pdf
Sawaya, L., & Sawaya, A. R. (2005). LRV light reflectance value of paint colors.
http://thelandofcolor.com/lrv-light-reflectance-value-of-paint-colors/
Sick, B. V. (z.d.). Het verschil tussen nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid from
http://www.sick.com/nl/nl-nl/home/producten/sickipediaterminologie/Documents/Het%20verschil%20tussen%20nauwkeurigheid%20en%20reprodu
ceerbaarheid.pdf
Soudarissanane, S., Lindenbergh, R., Menenti, M., & Teunissen, P. (2009). Incidence angle influence
on the quality of terrestrial laser scanning points. IAPRS, XXXVIII(3/W8).
http://sylvies.files.wordpress.com/2010/03/paper.pdf
113
Soudarissanane, S., Lindenbergh, R., Menenti, M., & Teunissen, P. (2011). Scanning geometry:
influencing factor on the quality of terrestrial laser scanning points. ISPRS Journal of
Photogrammetry and Remote Sensing, 66(4), 389-399.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924271611000098
Van Alboom, T., & Vanhaelst, M. (2012/2013). Fysica II. Gent.
Voegtle, T., Schwab, I., & Landes, T. (2008). Influences of different materials on the measurement of
a terrestrial laser scanner. The International Archives of the Photogrammetry, Remote
Sensing and Spatial Information Sciences, XXXVII(B5).
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/downloadjsessionid=E778E58162C011F6AE7CD1A6255
C7F75?doi=10.1.1.150.9095&rep=rep1&type=pdf
Voegtle, T., & Wakaluk, S. (2009). Effects on the measurements of the terrestrial laser scnner
HDS6000 (Leica) caused by different object materials. IAPRS, 38, p. 68-74.
http://www.isprs.org/proceedings/xxxviii/3-w8/papers/p80.pdf
Waikato, T. u. o. (2012).
Wynn, C. (2000). An introduction to BRDF-based lighting.
http://www.cs.princeton.edu/courses/archive/fall06/cos526/tmp/wynn.pdf
z.n. (z.d.). Module 3: factors affecting 3D laser scanning (pp. p 34-41).
10.2 Technische fiches
Leica Scanstation C10,
http://hds.leica-geosystems.com/downloads123/hds/hds/ScanStation%20C10/brochuresdatasheet/Leica_ScanStation_C10_DS_en.pdf
Leica HDS6000, http://archive.cyark.org/temp/Leicahds6000datasheet.pdf
Leica HDS6200, http://www.oceanscan.net/gallery/PDFs/Leica%20HDS6200%20DAT_en.pdf
Leica HDS7000,
http://survey.crkennedy.com.au/sites/default/files/downloads/HDS7000_DAT_en.pdf
Leica HDS2500, http://hds.leica-geosystems.com/en/5940.htm
Leica Scanstation P20,
http://www.leica-geosystems.com/downloads123/hds/hds/ScanStation_P20/brochuresdatasheet/Leica_ScanStation_P20_DAT_en.pdf
Riegl VZ-6000, http://www.riegl.com/uploads/tx_pxpriegldownloads/DataSheet_VZ-6000_23-092013_PRELIMINARY.pdf
Riegl LMS-Z420, http://www.riegl.com/uploads/tx_pxpriegldownloads/10_DataSheet_Z420i_03-052010.pdf
114
Riegl LMS-Z620, http://www.riegl.com/uploads/tx_pxpriegldownloads/11_DataSheet_Z620_03-052010.pdf
Maptec I-site 8810, http://www.maptek.com/pdf/i-site/Maptek_I-Site_8810_spec_sheet.pdf
Pentax S-3180, http://www.pentaxsurveying.com/en/pdfs/S3180V-brochure-EN.pdf
Trimble TX5, http://mep.trimble.com/sites/mep.trimble.com/files/assets_file_uploads/DatasheetTX5_scanner.pdf
115
11 FIGURENLIJST
Figuur 1: Het elektromagnetische spectrum (Nieuwenhuizen, 2008) .................................................... 3
Figuur 2: Triangulatieprincipe met behulp van één CCD camera (Boehler & Marbs, 2002) .................. 5
Figuur 3: Triangulatieprincipe met behulp van twee CCD camera’s (Boehler & Marbs, 2002).............. 5
Figuur 4: Verschillende projectietechnieken bij een triangulatielaserscanner (Janos, 2008) ................ 5
Figuur 5: Principe van een ‘time-of-flight’-laserscanner (Janos, 2008) .................................................. 6
Figuur 6: Schematische voorstelling van twee gemoduleerde golflengten (Vienna University of
Technology, z.d.) ..................................................................................................................................... 8
Figuur 7: Principe van een fase gebaseerde scanners (Janos, 2008) ...................................................... 8
Figuur 8: Divergentie van een laserstraal (Reshetyuk, 2008) ............................................................... 10
Figuur 9: Field of View van het Leica Scanstation C10 (Leica Geosystems AG, 2011) ......................... 11
Figuur 10 (v.l.n.r. a, b, c, d): Verschil nauwkeurigheid en precisie (Sick, z.d.) ...................................... 14
Figuur 11: Vlakke target met zwart-wit patroon van Leica (Leica Geosystems, 2014)......................... 15
Figuur 12: Bolle target Seco (GO3D, 2014) ........................................................................................... 15
Figuur 13: Het randeffect (Nguyen & Lui, z.d.) ..................................................................................... 18
Figuur 14: Collimatiefout (Nguyen & Lui, z.d.) ...................................................................................... 19
Figuur 15: Diffuse (isotrope) reflectie (Nguyen & Lui, z.d.) .................................................................. 19
Figuur 16: Refractie bij semi-transparante materialen (Vlaams Leonardo Da Vinci Agentschap v.z.w.,
2008) ..................................................................................................................................................... 20
Figuur 17: 'Footprint' van een loodrecht invallende straal (links) en van onder een invalshoek (rechts)
(Soudarissanane, Lindenbergh, Menenti, & Teunissen, 2011) ............................................................. 22
Figuur 18: Ideale reflectie en transmissie (Palmer, 2010) .................................................................... 23
Figuur 19: Reële reflectie en transmissie (Palmer, 2010) ..................................................................... 23
Figuur 20: Gebruik van ImageJ om de histogrammen te bepalen (Gilchrist, 2011) ............................. 25
Figuur 21: Speculaire reflectie (Waikato, 2012) ................................................................................... 26
Figuur 22: Spiegelende reflectie (Waikato, 2012) ................................................................................ 26
Figuur 23: Diffuse reflectie (Waikato, 2012) ......................................................................................... 26
116
Figuur 24: LRV schaal van de grijswaarden (Sawaya & Sawaya, 2005)................................................. 27
Figuur 25: Illustratie van de gebruikte ‘Spectralon’ targets (Pfeifer, Dorninger, Haring, & Fan, 2007b)
.............................................................................................................................................................. 28
Figuur 26: Standaarddeviatie voor verschillende afstanden in functie van de invalshoek (T Voegtle &
Wakaluk, 2009) ..................................................................................................................................... 28
Figuur 27: Invloed van de invalshoek op de intensiteit voor de FARO TLS (Kaasalainen, Jaakkola,
Kaasalainen, Krooks, & Kukko, 2011).................................................................................................... 29
Figuur 28:Experimenteel bepaalde intensiteitswaarden van de FARO TLS en de theoretisch bepaalde
waarden van het empirisch model. ...................................................................................................... 29
Figuur 29: Bovenaanzicht proefopstelling 1 (Soudarissanane et al., 2009).......................................... 30
Figuur 30: Resultaten van experiment 1 (Soudarissanane et al., 2009) ............................................... 30
Figuur 31: Proefopstelling met vlak en onregelmatig paneel (Pesci & Teza, 2008) ............................. 31
Figuur 32: Scanresultaten op een afstand van 25m bij verschillende invalshoeken (Pesci & Teza, 2008)
.............................................................................................................................................................. 32
Figuur 33: Invloed van de invalshoek op de intensiteit op scanafstand van 10m (exp 1) en 30m (exp 2)
(Guihua, Mingfeng, Jianping, Jiangxia, & Ling, 2013) ........................................................................... 33
Figuur 34: Afstandsnauwkeurigheid in functie van de invalshoek op scanafstand van 10m (exp 1) en
30m (exp 2) (Guihua, Mingfeng, Jianping, Jiangxia, & Ling, 2013) ....................................................... 33
Figuur 35: Standaarddeviatie van de intensiteit in functie van de invalshoek bij 10m (exp 1) en 30m
(exp 2) (Guihua, Mingfeng, Jianping, Jiangxia, & Ling, 2013) ............................................................... 33
Figuur 36: Intensiteit in functie van de invalshoek bij verschillende kleuren (Guihua et al., 2013)..... 34
Figuur 37: Afstandsnauwkeurigheid in functie van de invalshoek bij verschillende kleuren (Guihua et
al., 2013) ............................................................................................................................................... 34
Figuur 38: Vergelijking normaalverdeling bij verschillende invalshoeken voor een wit (links) en zwart
(rechts) vlakje (Clark & Robson, 2011).................................................................................................. 35
Figuur 39: Standaarddeviatie na correctie van de invalshoek en de afstand (Soudarissanane et al.,
2011) ..................................................................................................................................................... 36
Figuur 40: Geregistreerd intensiteit in functie van de afstand (Pfeifer et al., 2007b).......................... 36
117
Figuur 41: Intensiteit in functie van de afstand voor de FARO LD880 en Leica HDS6100 en vergeleken
met de verhouding K/R² (Kaasalainen et al., 2011) .............................................................................. 37
Figuur 42: Resultaten van experiment 2 (Soudarissanane et al., 2009) ............................................... 38
Figuur 43: Afwijkingen in functie van de reflectiewaarde (Clark & Robson, 2011) .............................. 39
Figuur 44: Vergelijking van de normaalverdelingen bij een orthogonale meting (Clark & Robson, 2011)
.............................................................................................................................................................. 39
Figuur 45: Afstandsafwijking en zijn onzekerheid in functie van de afstand voor het target met 50%
reflectiviteit (T Voegtle & Wakaluk, 2009)............................................................................................ 40
Figuur 46: Standaarddeviatie [mm] van da afstandmetingen in functie van de reflectiviteit (T Voegtle
& Wakaluk, 2009).................................................................................................................................. 40
Figuur 47: Relatie tussen reflectiewaarden en geregistreerde intensiteit (T Voegtle & Wakaluk, 2009)
.............................................................................................................................................................. 41
Figuur 48: Gemiddelde intensiteit in functie van de grijswaarde (T. Voegtle et al., 2008) .................. 41
Figuur 49: Afstandsnauwkeurigheid voor de verschillende grijswaarden (T. Voegtle et al., 2008) ..... 42
Figuur 50: Verhouding van de intensiteit en standaarddeviatie (Kersten et al., 2005)........................ 43
Figuur 51: Esser Test chart TE 109 (Bucksch et al., 2009) ..................................................................... 43
Figuur 52: Intensiteit van de gescande punten met de Imager 5003 (Bucksch et al., 2009) ............... 44
Figuur 53: Intensiteit van de gescande punten met de Imager 5003 (Bucksch et al., 2009) ............... 44
Figuur 54: Leica Scanstation C10 .......................................................................................................... 48
Figuur 55: Black-and-white target (Leica Geosystems AG, 2014) ......................................................... 49
Figuur 56: Bord met targets en vlakjes ................................................................................................. 49
Figuur 57: Geplaatste targets met de verschillende vlakjes ................................................................. 50
Figuur 58: Invalshoeken ten opzichte van de scanner.......................................................................... 51
Figuur 59: Afbakenen van het te scannen gebied ................................................................................ 51
Figuur 60: Voorbeeld van een script ..................................................................................................... 52
Figuur 61: Bepalen van de resolutie ..................................................................................................... 52
Figuur 62: Bord met vlakjes en 4 extra targets ..................................................................................... 53
Figuur 63: Knippen van de vakjes met aantonen van het ‘mixed edge’-probleem .............................. 55
118
Figuur 64: Creëren van een 'patch' ....................................................................................................... 55
Figuur 65: Meten van het afstandsverschil tussen patch en target ..................................................... 56
Figuur 66: Meten van de afstand bij 4 targets ...................................................................................... 57
Figuur 67: Positie van de patches ten opzichte van het referentievlak................................................ 57
Figuur 68: Technische specificaties van het Leica Scanstation C10 ...................................................... 59
Figuur 69: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 0° ....................................... 60
Figuur 70: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 45° ..................................... 61
Figuur 71: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 60° ..................................... 62
Figuur 72: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 5m .......................................... 63
Figuur 73: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 75m ........................................ 64
Figuur 74: Intensiteit - invalshoek 0° ................................................................................................... 65
Figuur 75: Intensiteit - invalshoek 30° .................................................................................................. 66
Figuur 76: Intensiteit - invalshoek 45° .................................................................................................. 66
Figuur 77: Intensiteit - invalshoek 60° .................................................................................................. 67
Figuur 78: Intensiteit – afstand 5m ....................................................................................................... 68
Figuur 79: Intensiteit – afstand 25m ..................................................................................................... 68
Figuur 80: Intensiteit - afstand 75m...................................................................................................... 69
Figuur 81: Intensiteit – invalshoek 0°.................................................................................................... 70
Figuur 82: Intensiteit – invalshoek 30°.................................................................................................. 70
Figuur 83: Intensiteit – invalshoek 45°.................................................................................................. 71
Figuur 84: Intensiteit – invalshoek 60°.................................................................................................. 71
Figuur 85: Intensiteit – afstand 5m ....................................................................................................... 72
Figuur 86: Intensiteit - afstand 25m...................................................................................................... 72
Figuur 87: Intensiteit - afstand 75m...................................................................................................... 73
Figuur 88: Puntenwolk met klein aantal geregistreerde punten bij donkere vlakken ......................... 74
Figuur 89: Technische specificaties van het Leica Scanstation C10 ...................................................... 74
119
Figuur 90: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets –
invalshoek 0° ......................................................................................................................................... 76
Figuur 91: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets –
invalshoek 30° ....................................................................................................................................... 77
Figuur 92: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets –
invalshoek 45° ....................................................................................................................................... 79
Figuur 93: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets invalshoek 60° ....................................................................................................................................... 80
Figuur 94: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek
0° ........................................................................................................................................................... 82
Figuur 95: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek
30° ......................................................................................................................................................... 83
Figuur 96: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek
45° ......................................................................................................................................................... 84
Figuur 97: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek
60° ......................................................................................................................................................... 85
Figuur 98: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand
5m ......................................................................................................................................................... 86
Figuur 99: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand
25m ....................................................................................................................................................... 88
Figuur 100: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand
75m ....................................................................................................................................................... 89
Figuur 101: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m
.............................................................................................................................................................. 91
Figuur 102: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand
25m ....................................................................................................................................................... 92
Figuur 103: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand
75m ....................................................................................................................................................... 93
Figuur 104: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target invalshoek 0° ......................................................................................................................................... 94
120
Figuur 105: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target invalshoek 30° ....................................................................................................................................... 95
Figuur 106: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target invalshoek 45° ....................................................................................................................................... 96
Figuur 107: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target invalshoek 60° ....................................................................................................................................... 97
Figuur 108: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand
5m ......................................................................................................................................................... 98
Figuur 109: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand
5m ......................................................................................................................................................... 99
Figuur 110: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand
75m ..................................................................................................................................................... 100
Figuur 111: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek
0° ......................................................................................................................................................... 101
Figuur 112: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek
30° ....................................................................................................................................................... 102
Figuur 113: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek
45° ....................................................................................................................................................... 103
Figuur 114: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek
60° ....................................................................................................................................................... 104
Figuur 115: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m
............................................................................................................................................................ 105
Figuur 116: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand
25m ..................................................................................................................................................... 106
Figuur 117: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand
75m ..................................................................................................................................................... 107
121
12 TABELLEN
Tabel 1: Indeling van laserscanners (op basis van veel verkochte types)............................................... 8
Tabel 2: Albedowaarden van enkele natuurlijke materialen (Dobos, z.d.) .......................................... 24
Tabel 3: Resultaten van de gemiddelde intensiteiten op een afstand van 25m (Pesci & Teza, 2008) . 32
Tabel 4: Overzicht van de geregistreerde intensiteit (Lichti & Harvey, 2008) ...................................... 38
Tabel 5: Resultaten van de scans met de Imager 5003 en FARO LS880 (Bucksch et al., 2009) ............ 45
Tabel 6: Technische specificaties .......................................................................................................... 48
Tabel 7: Eigenschappen van de kaartjes ............................................................................................... 50
Tabel 8: Uitgevoerde opstellingen ........................................................................................................ 50
Tabel 9: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 0° .......................................... 60
Tabel 10: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 45° ...................................... 61
Tabel 11: Standaardafwijking op de positie van de targets – invalshoek 60° ...................................... 62
Tabel 12: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 5m ............................................ 63
Tabel 13: Standaardafwijking op de positie van de targets – afstand 75m .......................................... 64
Tabel 14: Samenvattende tabel: intensiteit – invloed van de afstand ................................................. 65
Tabel 15: Samenvattende tabel: intensiteit – invloed van de invalshoek ............................................ 67
Tabel 16: Samenvattende tabel - aantal geregistreerde punten.......................................................... 73
Tabel 17: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets – invloed
van de afstand....................................................................................................................................... 75
Tabel 18: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets –
invalshoek 0° ......................................................................................................................................... 75
Tabel 19: Minima, maxima en medianen - invalshoek 0° ..................................................................... 77
Tabel 20: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets –
invalshoek 30° ....................................................................................................................................... 77
Tabel 21: Minima, maxima en medianen - invalshoek 30° ................................................................... 78
Tabel 22: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets –
invalshoek 45° ....................................................................................................................................... 79
122
Tabel 23: Minima, maxima en medianen - invalshoek 45° ................................................................... 79
Tabel 24: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde targets –
invalshoek 60° ....................................................................................................................................... 80
Tabel 25: Minima, maxima en medianen - invalshoek 60° ................................................................... 81
Tabel 26: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invloed van
de afstand ............................................................................................................................................. 81
Tabel 27: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek
0° ........................................................................................................................................................... 82
Tabel 28: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek
30° ......................................................................................................................................................... 82
Tabel 29: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek
45° ......................................................................................................................................................... 83
Tabel 30: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invalshoek
60° ......................................................................................................................................................... 84
Tabel 31: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target – invloed
van de invalshoek.................................................................................................................................. 85
Tabel 32: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand
5m ......................................................................................................................................................... 86
Tabel 33: Minima, maxima en medianen – afstand 5m ....................................................................... 87
Tabel 34: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand
25m ....................................................................................................................................................... 87
Tabel 35: Minima, maxima en medianen – afstand 25m ..................................................................... 88
Tabel 36: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand
75m ....................................................................................................................................................... 89
Tabel 37: Minima, maxima en medianen – afstand 75m ..................................................................... 90
Tabel 38: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target – invloed van
de invalshoek ........................................................................................................................................ 91
Tabel 39: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m
.............................................................................................................................................................. 91
123
Tabel 40: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 25m
.............................................................................................................................................................. 92
Tabel 41: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 75m
.............................................................................................................................................................. 93
Tabel 42: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek
0° ........................................................................................................................................................... 94
Tabel 43: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek
30° ......................................................................................................................................................... 95
Tabel 44: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek
45° ......................................................................................................................................................... 96
Tabel 45: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - invalshoek
60° ......................................................................................................................................................... 97
Tabel 46: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand
5m ......................................................................................................................................................... 98
Tabel 47: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand
25m ....................................................................................................................................................... 99
Tabel 48: Gemiddelde van de absolute afstanden tussen de patch en de gemiddelde target - afstand
75m ..................................................................................................................................................... 100
Tabel 49: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek 0°
............................................................................................................................................................ 101
Tabel 50: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek
30° ....................................................................................................................................................... 102
Tabel 51: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek
45° ....................................................................................................................................................... 102
Tabel 52: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - invalshoek
60° ....................................................................................................................................................... 103
Tabel 53: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 5m
............................................................................................................................................................ 104
Tabel 54: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 25m
............................................................................................................................................................ 105
124
Tabel 55: Standaardafwijking op de afstand tussen elke patch en de gemiddelde target - afstand 75m
............................................................................................................................................................ 106
125
13 WETENSCHAPPELIJK ARTIKEL
TIME-BASED TERRESTRIAL 3D LASERSCANNERS: INVESTIGATION OF THE POSITION ACCURACY OF
BLACK-AND-WHITE TARGETS AND OF THE INFLUENCE OF REFLECTIVITY, DISTANCE AND ANGLE OF
INCIDENCE ON THE REGISTERED DISTANCE
Prof. dr. ing. Greta Deruyter 1,2
Ing. Lisa Loux 1
Ing. Niels Van der Elst 1
1
Ghent University, Faculty of Engineering and Architecture, Department of Industrial Technology and
Construction, Belgium
2
Ghent University, Faculty of Sciences, Department of Geography, Belgium
ABSTRACT
Terrestrial laser scanning (TLS) became one of the main methods to collect three-dimensional
information of an object. Within surveying it plays an important role due to the many advantages. The
technical specifications define that the distance to an object’s surface can be measured with
millimetre accuracies, however many factors influence the quality of a point cloud. Secondly technical
specifications are hard to interpret because of the lack of uniformity.
The main purpose of this research was to investigate the influence of distance and incidence angle on
the precision of the position of black-and-white-targets and the influence of surface reflectivity,
distance and incidence angle on the distance registration of a modelled surface for the pulse based
laser scanner Leica Scanstation C10. These results will lead to guidelines for the ideal scanpostion and
complements of the technical specifications.
The results showed that short and medium distances, with certainty to 25m, and an incidence angle
of 0° provide the best scan geometry. Secondly was concluded that extension of the technical
specifications of the Leica Scanstation C10 is required for the accuracy of modelled surfaces at low
albedo values and for distances of 75m and up. The precision of target acquisition requires
complement for a distance of 50m and up.
Keywords: terrestrial laser scanning, reflection, accuracy, precision, intensity
126
INTRODUCTION
Over the years, terrestrial laser scanning (TLS) is well adopted as a data acquisition technique for a
variety of applications. The advantage of 3D laser scanning, in comparison to traditional surveying
methods, is the vast amount of information that is acquired in a short period of time. According to the
technical specifications provided by the manufacturers, the distance to an object’s surface can be
measured with millimetre accuracies. However, because of the lack of uniformity, practice shows that
these technical specifications are hard to interpret ([3] and [5]). Furthermore, the quality of a point
cloud is influenced by many factors during the scan process, such as distance, incidence angle of the
laser beam, colour and reflectivity of the object. ([1,4,6-10])
The research at hand intended to answer two important questions for the pulse based laser scanner
Leica Scanstation C10:
1. What is the influence of distance and incidence angle on the precision of the position of blackand-white-targets?
2. What is the influence of surface reflectivity, distance and incidence angle on the distance
registration of a modelled surface?
According to the technical specifications provided by the manufacturer the Leica Scanstation C10 has
an accuracy of 2mm for a modelled surface and the 3D-scanner is able to determine the position of a
planar HDS target with a precision of 2mm standard deviation. Based on the answers to above
questions, the boundaries for the relative position of the scanner to the object for which the technical
specifications given by the manufacturer are met, can be determined.
Since data processing is a time-consuming process, the modelling of the surfaces was done using the
patches (explained in methodology and results, 2) that were developed in the ‘quick-and-dirty-method’
(QDM) [2]. This investigation gives an indication whether the use of patches is accurate. In the QDM
these patches are used to make an intersection at well-defined places. The result of the intersection
is used to determine the deformation.
METHODOLOGY AND RESULTS
To investigate the influence of the distance, the incidence angle and the reflectivity, a test setup was
built in a stable environment where the ambient light intensity, humidity and temperature
fluctuations exhibit minimal. As a result, all scans were performed in similar circumstances. This was
necessary in order to obtain comparable results, since the measurements were spread over several
days.
127
The setup includes a movable blackboard where three black-and-white targets were attached directly
to the board. Around each target were secured paint samples with different Light Reflectance Value
(LRV). These samples were selected from a single fan of paint so that the surface characteristics of
each sample are equal and the LRV is the only variable. For each sample, the albedo value was
determined.
The numbering of the samples has been clarified in figure 1. Sample 1 and 2 were replaced in the
course of the investigation by samples 1 and 2 outlined in red because of damages which were applied
by unknown. Samples 5 and 6 were excluded. They could have been an extension to investigate the
effect of colours without repeating the time consuming process of data acquisition.
Figure 1: Samples
The board was scanned from different distances and under varying incidence angles:
-
5m: 0°, 30°, 45° en 60°
-
25m: 0°, 30°, 45°, 60°
-
50m: 0°
-
75m: 0°, 30°, 45°, 60°
For each black-and-white-target, ten separate scans were performed. At larger distances, from 50m
and up, and larger incidence angles scanning the black-and-white-targets was no longer possible and
the method had to be modified. The three smaller black-and-white-targets between the samples were
128
replaced by four larger ones, arranged in the corners of the board (Figure 2). Each of these targets was
also scanned ten times.
Figure 2: Blackboard with targets and samples
1. The influence of distance and incidence angle on the precision of the acquisition of blackand-white-targets
The mean coordinate of the ten target scans was calculated. According to the technical specifications
target scans are performed more precise than regular scans. These mean values were considered as
the 'correct' coordinates of the targets within the local XYZ coordinate system for the determination
of the accuracy of the positioning of the modelled surfaces. For each target the standard deviation
was calculated on the position and on the X-, Y-and Z-coordinate.
The results showed that the standard deviation of the Z-coordinate exerts the greatest influence on
the standard deviation of the position. The Z-coordinate was therefore regarded as the "weak" point
of the 3D laser scanner. This is most likely due to the mechanical movement of the vertical angle
measurement.
The standard deviations of the positions showed that the precision of black-and-white-targets met the
technical specifications up to a distance of 25m. From a distance of 50m the uncertainty increased and
there were measurements recorded that exceeded the technical specifications. The incidence angle
appeared to have little influence on the precision. However, with larger incidence angles the spread
of the results increased. A revision of the technical specifications is recommended for distances of
50m and further.
2. The influence of surface reflectivity, distance and incidence angle on the distance
measurement
Every arrangement of the board with the samples was scanned 30 times. Using Cyclone 8.0 each
sample was cut out. Of each reflectivity two samples were provided, so each reflectivity resulted in
129
two point clouds. From these point clouds, patches were created (Figure 3) from which distance
accuracy was determined. This was done 30 times.
Figure 3: Creating patches from point clouds
Two methods were used. The results are not affected so the values are still comparable. In the first
method, with the smaller targets, the average coordinates of the targets were used. The distance
between the patch from the point clouds and the mean coordinate of the target is calculated (Figure
4). For each arrangement this resulted in 30 distances between patch and mean coordinate for each
reflectivity. The average of these distances, the minimum, the maximum, the difference between the
extreme values, the median and standard deviation were determined in Excel.
Figure 4: Method 1
The second method was used for the measurements in which four targets at the corners of the board
were used. The principle remained the same. There was still a distance measurement performed
between the patches and a precise reference point. The reference point was created with the average
coordinates of the targets. The diagonally opposed targets were connected to each other by means of
a polyline. The place where these two connecting lines intersect each other was used to insert the
reference point (Figure 5). The further processing of the results was similar to those of the first method.
130
Figure 5: Method 2
The intensity of the received signal obtained from the point cloud gives an indication of the degree of
reflectivity of the material. The intensity was drawn directly from the data of the point clouds with a
pts-file. It should be noted that only a single point cloud was examined per assembly.
a. Intensity
The intensity rose with increasing reflectivity and diminished with distance. Results from the scans of
5m and 25m may considered to be equal. The maximum range is higher with highly reflective materials.
The darker card could not be scanned from a distance of 75m, due to the low intensity that was
reflected whereby no sufficient and representative amount of points was registered. With increasing
incidence angles, the intensity decreased. An incidence angle of 0° is considered to be ideal in function
of intensity. In the end, the decay was the strongest for highly reflective surfaces.
b. Influence of surface reflectivity, distance and incidence angle
The second part of the study examined the influence of distance. The surface with high albedo
delivered the best accuracy for the distance measurement. The average accuracy met the technical
specifications irrespectively to the incidence angle. For low albedo values averages higher than 2mm
were established, these curves showed a variable trend. The results of individual scans performed at
75m showed that a deviation higher than 2mm is possible. These scans do not guarantee the specified
accuracy. The influence of the distance on the precision of the distance measurement showed no clear
trend.
131
The influence of the angle of incidence on the accuracy of the distance measurement showed that the
most accurate results were obtained with high albedo values. The average accuracy was sufficient for
the highest albedo values at each angle. At a distance of 75m individual scans showed a lower accuracy
at different angles. For low reflective surfaces average accuracy values occurred at every angle that
didn’t meet the technical specifications. These reflectivities were impossible to deliver reliable results
under oblique incidence angles on a very large distance. The quality of the measurement is thus higher
when the reflectivity increases. Between the two lowest reflectivities of the two highest reflectivities
the deviations approached each other with increasing angle. The increasing angle of incidence was
found to have a positive impact on the accuracy.
In terms of precision the highest albedo values out to be the least affected to the angles. At lower
albedo values the differences between the angles of incidence were greater, especially when the
distance was larger.
In almost every case, there were established deviations that exceeded the specified 2mm for a
reflectance of 5,0% albedo. Thus dark, low-reflecting surfaces should always be scanned with care.
Redundant measurements or covering the darkest areas with bright paint can yield better
measurement results. In practice this will be difficult to achieve.
CONCLUSIONS
Short and medium distances, with certainty to 25m, and an incidence angle of 0° provide the best scan
geometry.
Based on all the observations made about the distance accuracy was concluded that extension of the
technical specifications of the Leica Scanstation C10 is required. The extension is necessary for the
registered accuracies of modelled surfaces and the precision of target acquisition at low albedo values
and for distances of 75m and up.
To come to correct conclusions, further research is needed. This study needs to determine the
maximum distance and angle under which each reflection is showing strong average deviations.
REFERENCES
[1] Clark, J., & Robson, S. (2011). Accuracy of measurements made with CYRAX 2500 laser scanner
against surfaces of known colour.
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.184.4591&rep=rep1&type=pdf
[2] Deruyter, G., Van Quickelberghe, A., Nuttens, T., Stal, C., & De Wulf, A. (2013). Risk Assessment: a
comparison between the use of laser scanners and total stations in a situation where time is
132
the critical factor. 13th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM.
https://biblio.ugent.be/input/download?func=downloadFile&recordOId=4129999&fileOId=4
130015
[3] Fröhlich, C., & Mettenleiter, M. (2012). Terrestrial laser scanning: new perspectives in 3D
surveying. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial
Information Sciences, XXXVI(8).
http://oldwww.prip.tuwien.ac.at/cvch07/download/download/lectures/FROEHLICH.pdf
[4] Guihua, C., Mingfeng, L., Jianping, Y., Jiangxia, O., & Ling, Z. (2013). Effect of Target Properties on
Terrestrial Laser Scanning Intensity Data. International Conference on Remote Sensing,
Environment and Transportation Engineering, p. 818- 821. http://www.atlantispress.com/php/pub.php?publication=rsete-13&frame=http%3A//www.atlantispress.com/php/paper-details.php%3Fid%3D8313
[5] Iavarone, A. (2002). Laser scanner fundamentals. Professional surveyor magazine.
http://www.profsurv.com/magazine/article.aspx?i=949
[6] Nguyen, T. T., & Lui, X. G. (z.d.). Analysis of error sources in terrestrial laser scanning.
http://www.lmars.whu.edu.cn/3DCMA2011/papers%5CCNKI%5CAnalysis%20Of%20Error%2
0Sources%20In%20Terrestrial%20Laser%20Scanning.pdf
[7] Pesci, A., & Teza, G. (2008). Effects of surface irregularities on intensity data from laser scanning:
an experimental approach. Annals of geophysics, 51(october/december).
http://www.annalsofgeophysics.eu/index.php/annals/article/view/4462/4546
[8] Pfeifer, N., Dorninger, P., Haring, A., & Fan, H. (2007). Investigating terrestrial laser scanning
intensity data: quality and functional relations. 8th Conference on Optical 3-D Measurement
Techniques, 328 - 337. http://publik.tuwien.ac.at/files/pub-geo_1932.pdf
[9] Soudarissanane, S., Lindenbergh, R., Menenti, M., & Teunissen, P. (2011). Scanning geometry:
influencing factor on the quality of terrestrial laser scanning points. ISPRS Journal of
Photogrammetry and Remote Sensing, 66(4), 389-399.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924271611000098
[10] Voegtle, T., Schwab, I., & Landes, T. (2008). Influences of different materials on the
measurement of a terrestrial laser scanner. The International Archives of the
Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XXXVII(B5).
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/downloadjsessionid=E778E58162C011F6AE7CD1A6255
C7F75?doi=10.1.1.150.9095&rep=rep1&type=pdf
[11] Leica Scanstation C10,
http://hds.leica-geosystems.com/downloads123/hds/hds/ScanStation%20C10/brochuresdatasheet/Leica_ScanStation_C10_DS_en.pdf
133

vto 2014 – antwoorden voorronde

Zorgprogramma Longtransplantatie UZ Leuven Prof. dr G. Verleden

Hoofdstuk 9 D

Opgave 2 (G-)Krachtmetingen in een attractiepark

Fiche

6 Theezakje - Havovwo.nl

Montage instructies voor het monteren van een

Manwolf pdf free

WAIS-IV en CHC Tabel 1: De Indexen in relatie tot

De bepaling van psychofarmaca.